Новое понимание пространственной организации генома
15 лет после расшифровки последовательности человеческого генома ученые сделали новый важный шаг: теперь они исследуют, как ДНК упакована в ядре клетки. Международная исследовательская группа под руководством Аны Помбо из Центра Макса Дельбрюка в Берлине создала комплексные 3D-карты пространственной организации генома мыши — от эмбриональных стволовых клеток до зрелых нейронов. Работа опубликована в журнале Molecular Systems Biology.
За пределами линейной последовательности
Хотя все клетки тела несут одинаковую генетическую информацию, именно контроль над генами определяет, станет ли клетка, например, кожной или нервной. Оказалось, что для понимания работы генома недостаточно знать только линейную последовательность «букв» ДНК. «Трехмерная организация ДНК также очень важна», — говорит Ана Помбо. В ядре клетки мыши 20 пар хромосом упакованы не случайным образом, и это сложное пространственное сворачивание контролирует активность генов.
От доменов к мета-доменам
Ранее было известно, что хромосомы разделены на «топологические» домены — участки ДНК, которые контактируют друг с другом чаще, чем с соседними областями. Однако общей картины взаимодействия между этими доменами не хватало.
Исследователи из MDC детально изучили, как вся ДНК свернута в хромосомах и какие регионы предпочитают контактировать друг с другом. В качестве модели они исследовали развитие нейронов мыши на трех стадиях: эмбриональные стволовые клетки, клетки-предшественники и дифференцированные нейроны. Для каждого типа клеток они проанализировали карты взаимодействий (Hi-C данные), показывающие, какие участки хромосом соприкасаются.
Иерархия контактов и их функция
Результаты показали, что хромосомные домены сгруппированы в более крупные мета-домены. Их укладка не случайна. «Различные области на хромосоме сближаются, потому что у них есть что-то общее, — объясняет Помбо. — Например, контактируют гены, которые активны, или которые регулируются одним и тем же механизмом».
Это позволяет удаленным друг от друга на линейной ДНК регионам вступать в контакт. «Впервые мы смогли определить специфические, дальнодействующие контакты между доменами по всей длине хромосом», — говорит Помбо.
Исследователи представили эти взаимодействия в виде древовидной иерархии доменов. Сравнение диаграмм для трех типов клеток показало, что при дифференцировке многие дальнодействующие контакты сохраняются, но некоторые регионы образуют новые связи — опять же на основе общих признаков. «Изменения в активности генов коррелируют с изменениями в пространственной организации», — отмечает Маркус Шюлер, один из первых авторов исследования.
Перспективы для медицины
Ученые полагают, что такие карты контактов помогут в будущем найти причины генетических заболеваний. Они могут помочь:
- Локализовать перестройки хромосом, играющие роль в таких состояниях, как рак.
- Выявить гены, ответственные за врожденные заболевания.
Многие геномные исследования последних лет связали мутации с различными болезнями, но механизм их действия часто оставался неясным. Мутация может, например, изменять не сам ген, а его взаимодействия с другими регионами.
«Наши карты увеличивают пул мишеней на ДНК, на которые может повлиять единичная мутация», — говорит Помбо. Теперь можно определить, с какими другими участками ДНК контактирует конкретный генный вариант. Исследователи из Берлина планируют изучить эти взаимосвязи для неврологических расстройств, таких как аутизм, и для заболеваний скелета.