Учёные впервые построили карту сворачивания ДНК с разрешением в одну пару оснований в живых клетках

Учёные из Оксфордского университета получили самое детальное на сегодняшний день представление о том, как ДНК сворачивается и функционирует внутри живых клеток, раскрыв физические структуры, контролирующие включение и выключение генов.

Используя новую методику MCC ultra, команда картировала человеческий геном с разрешением до одной пары оснований. Это позволило понять, как контролируются гены, то есть как организм решает, какие гены и когда включать или выключать в нужных клетках. Прорыв даёт учёным мощный новый инструмент для понимания, как генетические различия приводят к болезням, и открывает новые пути для разработки лекарств.

"Впервые мы можем увидеть, как геномные «переключатели» управления физически расположены внутри клеток", — сказал профессор Джеймс Дэвис, ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Cell.

"Это меняет наше понимание того, как работают гены и что идёт не так при болезни. Теперь мы можем увидеть, как изменения в сложной структуре ДНК приводят к таким состояниям, как болезни сердца, аутоиммунные расстройства и рак".

Более двух десятилетий учёным известна полная последовательность человеческого генома — 3 миллиарда «букв» ДНК. Но то, как именно этот код сворачивается и функционирует внутри клетки, оставалось в основном скрытым.

ДНК каждой клетки длиной около 2 метров плотно упакована в микроскопическое пространство диаметром в одну сотую миллиметра. Внутри этого пространства ДНК постоянно изгибается и образует петли, сближая удалённые участки. Эти 3D-структуры критически важны, поскольку определяют, какие гены активны, а какие «молчат».

До сих пор исследователи могли наблюдать эти взаимодействия лишь с относительно низким разрешением. Новая оксфордская методика фиксирует их с точностью до одной пары оснований — мельчайшей единицы ДНК, — предлагая по-настоящему молекулярный взгляд на контроль генов.

Такая детализация важна, потому что более 90% генетических изменений, связанных с распространёнными болезнями, находятся не в самих генах, а в «переключающих» регионах, которые их регулируют. Возможность увидеть организацию этих переключателей даёт учёным новую основу для выявления сбоев в регуляции генов.

"Теперь у нас есть инструмент, позволяющий изучать контроль генов в мельчайших деталях, — сказал Ханпэн Ли, руководивший экспериментальной работой. — Это критический шаг к пониманию того, что идёт не так при болезни и как это можно исправить".

Оксфордская команда также сотрудничала с профессором Росаной Коллепардо-Гевара из Кембриджского университета. Её компьютерное моделирование подтвердило, что наблюдаемые паттерны сворачивания естественным образом возникают из физических свойств ДНК и её упаковочных белков.

Вместе учёные предложили новую модель регуляции генов, согласно которой клетки используют электромагнитные силы, чтобы выводить управляющие последовательности ДНК на поверхность, где они группируются в «островки» генной активности. Эти ранее невидимые структуры, по-видимому, являются фундаментальным механизмом того, как клетки считывают свои генетические инструкции.

Исследование представляет собой крупный прорыв в молекулярной генетике, закладывая основу для будущих исследований того, как изменения в структуре генома вызывают заболевания.