Хромосомы выглядят не так, как вы думаете

В школьных учебниках хромосомы изображены как неровные буквы X, похожие на две сцепленные сосиски. Но эти изображения далеки от реальности. «В 90% случаев, — говорит Цзюнь-Хань Су, — хромосомы так не выглядят».

В прошлом году команда учёных из Высшей школы искусств и наук (Су, Пу Чжэн, Сон Кинрот и Богдан Бинту) получила высококачественные 3D-изображения человеческих хромосом — сложных структур, содержащих нашу ДНК. Эти изображения могут изменить устоявшиеся символы на более сложные, но точные, что поможет не только в обучении, но и в разгадке тайн о том, как структура хромосом влияет на их функцию.

Все живые организмы создают новые клетки, чтобы заменить старые. Для этого клетки делятся и реплицируют свою ДНК, которая упакована в хроматин внутри хромосом. Если вытянуть ДНК из одной клетки в прямую линию, её длина достигнет около 1,8 метра, и вся она плотно упакована в ядре клетки. Одна ошибка при копировании или упаковке может привести к мутациям или сбоям в работе генов.

Рассмотреть структуру хроматина сложно, а одновременно изучить структуру и функцию — ещё сложнее. В статье, опубликованной в августе в журнале Cell, команда под руководством профессора Чжуан сообщает о новом методе одновременной визуализации структуры и активности хроматина, чтобы понять, как одно влияет на другое.

«Определение трёхмерной организации крайне важно, — говорит Чжуан, — для понимания молекулярных механизмов, лежащих в её основе, и того, как эта организация регулирует функцию генома».

Используя новый метод 3D-визуализации высокого разрешения, команда начала строить карту хромосом, получая как общие изображения всех 46 хромосом, так и детальные снимки отдельных участков. Чтобы визуализировать слишком маленькие объекты, они отмечали и отслеживали определённые точки («геномные локусы») вдоль цепи ДНК. Соединяя множество точек, можно получить полную картину структуры хроматина.

Однако возникла проблема. Ранее число точек, которые можно было одновременно идентифицировать, ограничивалось количеством используемых цветов — тремя. Трёх точек недостаточно для полной картины.

Команда Чжуан разработала последовательный подход: визуализировать три разных локуса, гасить сигнал и затем быстро визуализировать следующие три. Таким образом, каждая точка получает две идентификационные метки: цвет и раунд визуализации.

«Теперь мы можем одновременно визуализировать, локализовать и, что важно, идентифицировать 60 локусов», — говорит Чжуан.

Но для охвата всего генома требовалось больше — тысячи точек. Для этого учёные использовали язык, уже применяемый для организации и хранения больших объёмов информации: двоичный код. Нанося двоичные штрих-коды на разные локусы хроматина, они могли визуализировать гораздо больше точек и расшифровать их позже. Например, молекула, видимая в первом раунде, но не во втором, получает код, начинающийся с «10». Используя 20-битные штрих-коды, команда могла различить 2000 молекул всего за 20 раундов визуализации. «Таким комбинаторным способом мы можем гораздо быстрее увеличить количество визуализируемых и идентифицируемых молекул», — поясняет Чжуан.

С помощью этой техники команда визуализировала около 2000 локусов хроматина на клетку — более чем в десять раз больше, чем в предыдущих работах. Этого достаточно для получения изображения структуры хромосом высокого разрешения в их естественной среде. Но учёные пошли дальше: они также визуализировали транскрипционную активность (когда РНК копирует генетический материал с ДНК) и ядерные структуры, такие как ядерные спеклы и ядрышки.

Создав «3D-карты Google» для генома, они начали анализировать, как структура меняется со временем и как эти территориальные перемещения влияют на деление и репликацию клеток.

Исследователям уже известно, что хроматин разделён на разные области и домены (как пустыни и города). Но как эти «ландшафты» выглядят в разных типах клеток и как функционируют, оставалось неизвестным. Благодаря изображениям высокого разрешения команда Чжуан установила, что области с большим количеством генов («обогащённые генами») стремятся располагаться рядом друг с другом на любой хромосоме. А области с малым числом генов («обеднённые генами») объединяются, только если принадлежат одной хромосоме. Одна из теорий предполагает, что богатые генами области, являющиеся активными сайтами транскрипции, собираются вместе, как фабрика, для более эффективного производства.

Хотя для подтверждения этой теории нужно больше исследований, уже ясно одно: локальное окружение хроматина влияет на транскрипционную активность. Структура действительно влияет на функцию. Команда также обнаружила, что никакие две хромосомы не выглядят одинаково, даже в идентичных клетках.

Чтобы выяснить, как выглядит каждая хромосома в каждой клетке человеческого тела, потребуются усилия многих лабораторий. «Невозможно построить полную картину только на основе нашей работы, — говорит Чжуан. — Нам нужно объединить работу многих-многих лабораторий, чтобы достичь всестороннего понимания».