Как геном устанавливает свою функциональную микроархитектуру

Гены, участвующие в развитии плода, активируются в разных тканях и в разное время. Их экспрессия тщательно регулируется так называемыми «энхансерными последовательностями», которые часто находятся далеко от своих генов-мишеней, и требует, чтобы молекула ДНК образовала петлю, чтобы сблизить их. Такие 3D-изменения ДНК, в свою очередь, контролируются другими последовательностями — топологически ассоциированными доменами (TAD). Ученые из EPFL изучили TAD, участвующие в развитии пальцев у плода, и получили представление о некоторых важных вопросах, касающихся их. Работа опубликована в Genome Biology.

Границы и «скотч»

TAD — это участки молекулы ДНК, которые делят весь геном организма на управляемые фрагменты, подобно районам в городе. Внутри клетки огромное количество ДНК упаковано в хроматин, а хроматин — в знакомые хромосомы. Внутри каждого TAD находятся гены и элементы, которые их регулируют, все упакованные вместе и изолированные от генов и регуляторов в соседних TAD, подобно каналам или стенам, разделяющим городские районы. Нарушение границ, установленных TAD, приводит к ряду заболеваний, таких как рак толстой кишки, пищевода, мозга и крови.

Но, несмотря на их важность, мы мало знаем об этих границах, которые придают TAD его структуру. Это поднимает вопрос: исходит ли информация из внутренних частей TAD или от границ. Последние представляют собой последовательности ДНК, часто ассоциированные с белками когезином и CTCF, которые «прилипают» к краям TAD, подобно скотчу, помогая разделять и замыкать ДНК в петли. CTCF, обнаруженный на границах доменов TAD, представляет особый интерес, поскольку было показано, что он изолирует домены TAD друг от друга, а не генетические элементы внутри одного домена TAD.

Исследование на примере пальцев

Исследование лаборатории Дени Дюбуля в EPFL совместно с коллегами из Женевского университета дает важное представление о TAD и о том, как они организуют ДНК. «Мы изучали архитектуру и функцию ДНК», — говорит исследователь Пьер Фабр, руководивший проектом.

В частности, ученые изучили кластер генов HoxD, в котором лаборатория Дюбуля имеет многолетний опыт. Этот кластер контролирует развитие пальцев у эмбрионов млекопитающих. Исследователи использовали его в качестве модели, чтобы изучить взаимодействие между несколькими энхансерными последовательностями внутри TAD, а также «конститутивными контактами» — постоянными взаимодействиями между TAD и белками, которые организуют упаковку генов HoxD в хроматин ДНК, даже при отсутствии транскрипции генов.

Исследователи объединили метод захвата конформации хромосом (4C-seq) и флуоресцентную гибридизацию ДНК in situ (FISH) для измерения уровней компактизации и дискретности TAD. Они также создали серию геномных делеций и инверсий, которые влияют на целостность хроматинового домена HoxD и вызывают ремоделирование дистальных регуляторных элементов. Это позволило им оценить устойчивость архитектуры TAD в этом домене.

Данные показывают, что эти TAD могут содержать множественные ассоциации между генами Hoxd и до тремя их энхансерами, и что нарушение 3D-структуры хроматина приводит к ремоделированию структуры TAD. Кроме того, CTCF, по-видимому, опосредует «ворота» для дистальных контактов ДНК в механизме выбора границ. «Построение рекомбинированного TAD зависит как от различных функциональных, так и от внутренних параметров, таких как геномное расстояние», — говорит Фабр.