Эмбрионы демонстрируют удивительную гибкость в исправлении ошибок организации ДНК
Исследовательская группа под руководством Helmholtz Munich впервые детально изучила, как в первые часы после оплодотворения в ядре ранних эмбрионов устанавливается пространственная организация генетического материала. Эмбрионы показали высокую степень гибкости в реакции на нарушения этого процесса.
Исследование, опубликованное в Cell, показывает, что не существует единого главного регулятора, контролирующего эту ядерную организацию. Вместо этого множество избыточных механизмов обеспечивают надежную и адаптивную архитектуру ядра, позволяя эмбрионам исправлять ошибки в его начальной организации.
Ранняя организация ДНК надежна и гибка
После слияния яйцеклетки и сперматозоида в ядре начинается масштабная реорганизация ДНК. Эпигенетика играет в этом процессе ключевую роль, регулируя активность генов через химические модификации ДНК и связанных с ней белков.
«Мы хотели понять, как эти эпигенетические программы влияют на активность генов и обеспечивают корректное выполнение клеткой своих задач развития», — объясняет руководитель исследования проф. Мария-Элена Торрес-Падилья.
«Наши результаты показывают, что после оплодотворения множество параллельных регуляторных путей контролируют организацию ядра, усиливая друг друга».
Проверка классической модели ядерной организации
Для расшифровки механизмов этой реорганизации исследователи провели скрининг нарушений в эмбрионах мыши. Анализы выявили множественные избыточные регуляторные механизмы, участвующие в организации ядра.
Эксперименты также показали, что — вопреки прежним представлениям — активность генов не строго определяется их положением в ядре. «Положение генов в ядре не всегда коррелировало с их активностью», — объясняет первый автор публикации Мринмой Пал.
Некоторые гены оставались активными, несмотря на перемещение в область ядра, традиционно считающуюся неактивной, в то время как аналогичные перемещения в других случаях приводили к резкому снижению экспрессии генов. «Это ставит под сомнение классическую модель ядерной организации и функции генома», — заключает Пал.
Эмбрионы могут самостоятельно исправлять ранние ошибки организации ядра
Еще более удивительным стало открытие, что эмбрионы могут самостоятельно исправлять нарушения в организации ядра даже после первого деления оплодотворенной яйцеклетки. Если организация ядра была нарушена до первого клеточного деления, она могла восстановиться во втором клеточном цикле.
Исследователи обнаружили, что этот процесс регулируется эпигенетическими метками, унаследованными от материнской яйцеклетки. Если эти материнские сигналы нарушены, эмбрион может активировать альтернативные эпигенетические программы, чтобы в конечном итоге восстановить правильную организацию ядра, которая может иметь иное происхождение. Это указывает на способность эмбрионов использовать разные отправные точки для своего развития, чтобы предотвратить дефекты.
Значение для старения и болезней
Результаты исследования могут иметь широкие последствия: при таких заболеваниях, как прогерия (генетическое расстройство, вызывающее преждевременное старение), происходят значительные нарушения в ДНК, ассоциированной с ядерной ламиной. Кроме того, некоторые виды рака связаны с изменениями в организации генома в ядре.
«Наши результаты могут помочь лучше понять эти механизмы и, в долгосрочной перспективе, разработать новые подходы для целенаправленного воздействия на эпигенетические программы с целью улучшения исходов заболеваний», — говорит Торрес-Падилья.