Уникальная архитектура генома после оплодотворения в одноклеточных эмбрионах

Исследователи из Института молекулярной биотехнологии Австрийской академии наук (IMBA) с помощью нового метода смогли изучить сложную реорганизацию генома, происходящую в первые часы после оплодотворения в одноклеточном эмбрионе млекопитающих. Результаты опубликованы в журнале Nature.

Международная команда обнаружила, что геномы яйцеклетки и сперматозоида, сосуществующие в одноклеточном эмбрионе (зиготе), имеют уникальную структуру по сравнению с другими интерфазными клетками. Понимание этого специализированного хроматинового «основного состояния» может дать ключ к разгадке загадочного процесса эпигенетического репрограммирования в тотипотентность — способность давать начало всем типам клеток.

Прорыв в одноклеточной геномике

После оплодотворения материнский и отцовский геномы стирают часть эпигенетической памяти о предыдущих дифференцированных состояниях. В первом клеточном цикле они существуют в виде отдельных ядер в зиготе. Оставалось неизвестным, различается ли их трёхмерная хроматиновая структура.

Команда под руководством Кикуэ Тачибаны-Конвальски из IMBA в сотрудничестве с MIT и МГУ изучила реорганизацию хроматина при переходе от ооцита к зиготе у мышей. С помощью секвенирования нового поколения, биоинформатического анализа и математического моделирования были выявлены специфические паттерны реорганизации генома.

Недостаток исходного материала потребовал разработки нового метода single-nucleus Hi-C (snHi-C), позволившего впервые проанализировать архитектуру хроматина в ооцитах и одноклеточных эмбрионах. Метод в 10 раз эффективнее обнаруживает контакты хроматина и выявляет вариации между отдельными клетками, которые теряются при усреднении в обычном Hi-C.

Разное поведение материнского и отцовского хроматина

Были обнаружены уникальные различия в трёхмерной организации хроматина зиготы по сравнению с другими интерфазными клетками. Более того, материнский и отцовский геномы в одной и той же клетке (зиготе), по-видимому, имеют разную организацию. Реорганизация архитектуры хроматина после оплодотворения происходит по-разному для двух геномов.

Как отмечает Кикуэ Тачибана-Конвальски, репрограммирование в тотипотентность в зиготе происходит за часы, в то время как репрограммирование в плюрипотентность с помощью факторов Яманаки занимает дни и имеет ограниченную эффективность. Изучение хроматинового состояния зигот может дать понимание этого механизма, что также может иметь применение в регенеративной медицине.