Ученые раскрыли, как 3D-организация ДНК в сперматозоидах помогает продолжению вида
Используя новую технологию для визуализации трехмерной организации ДНК в созревающих мужских половых клетках, ученые выявили критический период развития, который объясняет, как отцы передают генетическую информацию будущим поколениям.
Этот период был зафиксирован на стадии развития сперматозоидов, называемой мейозом. Именно тогда половые клетки (гаметы) созревают в сперматозоиды, способные оплодотворить яйцеклетку, закладывая основу для создания всех клеток ребенка. Исследователи из Детского госпиталя Цинциннати, опубликовавшие работу в Nature Structural & Molecular Biology, утверждают, что природа подготавливает 3D-организацию ДНК до ее упаковки в сперматозоиды.
К тому времени, как половые клетки становятся зрелыми сперматозоидами, генетический материал плотно организован. Наследственный материал мужской половой клетки имеет точную 3D-организацию в ядре — генетическом контрольном центре клетки. Эта организация необходима для того, чтобы мужская особь могла участвовать в производстве следующего поколения.
«Мы предполагаем, что мужская сперма — не просто носитель ДНК. Наши данные говорят, что трехмерная организация в ядре клетки помогает установить молекулярный фундамент, способный воспроизвести полную зиготу, которая может стать следующим поколением», — заявил Сатоши Намекава (Satoshi Namekawa), руководитель исследования.
Результаты открывают возможность для новых исследований о том, как 3D-организация генетического материала влияет на фертильность и такие проблемы, как преждевременные роды или мертворождение.
Методология и ключевые открытия
Исследуя созревающие половые клетки мышей, ученые сосредоточились на мейозе — стадии, когда мужские половые клетки теряют половину хромосом, перетасовывая генетический материал. Это часть природного правила, согласно которому мужские и женские особи млекопитающих вносят по половине своего генетического материала для создания генетически целого, но разнообразного представителя следующего поколения (у человека 46 хромосом, по 23 от каждого родителя).
С помощью технологии Hi-C исследователи смогли показать 3D-организацию и взаимодействие хромосом, а также генов в ядре мейотических мужских половых клеток. Авторы предполагают, что подготовка 3D-организации в мейозе жизненно важна для генов, которые позволяют половым клеткам восстановить способность производить все клетки тела после оплодотворения яйцеклетки.
«В мейозе экспрессия генов чрезвычайно высока и разнообразна. Многие из этих генов необходимы для развития половых клеток, и многие экспрессируются нигде, кроме половых клеток, и никогда в другое время», — пояснил Крис Алаваттам (Kris Alavattam), первый автор исследования.
В этот период наследственный материал в половых клетках организован в пространственно связанные отделы — геномные компартменты. В мейотических мужских половых клетках исследователи заметили, что эти компартменты слабее, чем в других клетках тела. Эта слабость способствует тому, что они называют глобальным репрограммированием 3D-организации хроматина (упаковки ДНК со связывающими ДНК белками). Эта организация способствует экспрессии необходимых генов и развитию половых клеток. После мейоза геномные компартменты хроматина становятся все сильнее, упаковывая ДНК высокоорганизованным образом по мере подготовки клеток к размножению.
Теперь ученые хотят использовать свои лабораторные модели, чтобы понять, как нарушение 3D-организации хроматина может вредить фертильности.