Суперразрешающая микроскопия раскрыла связь между упаковкой генома и плюрипотентностью клеток
Исследование с использованием суперразрешающей микроскопии показало, что наш геном упакован нерегулярно, и связало эти различия в упаковке с состоянием стволовой клетки. Мультидисциплинарный подход позволил учёным впервые увидеть и даже подсчитать мельчайшие единицы упаковки нашего генома. В исследовании участвовали биологи и физики из Центра геномной регуляции (CRG) и Института фотонных наук (ICFO) в Барселоне.
До сих пор было известно, что ДНК упакована регулярными повторяющимися единицами — нуклеосомами, что формирует хроматин. Однако из-за отсутствия подходящих методов и инструментов организацию хроматина внутри клеточного ядра не удавалось наблюдать ненарушающим способом с достаточным разрешением.
Теперь группа учёных впервые смогла визуализировать и даже подсчитать мельчайшие единицы, которые, упаковываясь вместе, формируют наш геном. Это стало возможным благодаря использованию суперразрешающей микроскопии — передовой оптической техники, удостоенной Нобелевской премии по химии в 2014 году. В сочетании с инновационными количественными подходами и численным моделированием исследователи смогли определить архитектуру генома в наномасштабе.
Ключевое открытие: нуклеосомы собраны в нерегулярные группы по всему хроматину, и эти группы разделены участками ДНК, свободными от нуклеосом.
Метод и наблюдения
Используя технику STORM (стохастическая оптическая реконструкционная микроскопия), учёные преодолели дифракционный предел, ограничивающий разрешение обычных микроскопов, и смогли точно определить структуру хроматинового волокна, подсчитав нуклеосомы.
Сравнивая стволовые клетки с дифференцированными (специализированными), исследователи обнаружили ключевые различия в архитектуре хроматинового волокна:
- Стволовые клетки имеют иную структуру хроматина, чем соматические (специализированные) клетки.
- Эта разница коррелирует с уровнем плюрипотентности: чем плюрипотентнее клетка, тем менее плотна её упаковка.
"Кладки" нуклеосом
Учёные обнаружили, что ДНК упакована не регулярно. Нуклеосомы собраны в группы разного размера, названные "кладками нуклеосом" (nucleosome clutches) по аналогии с кладкой яиц.
- Плюрипотентные стволовые клетки имеют, в среднем, кладки с меньшей плотностью нуклеосом.
- Размер кладки связан с потенциалом плюрипотентности: чем плюрипотентнее клетка, тем меньше нуклеосом содержится в её кладках.
Это открытие даёт новые ключи к пониманию функционирования стволовых клеток и их геномной структуры, что важно, например, для изучения клеточного репрограммирования.
Значение и перспективы
Исследование, опубликованное в престижном журнале Cell, устанавливает новое понимание того, как упаковано хроматиновое волокно, формируя специфическую структуру ДНК в каждой клетке. Это вносит вклад в понимание новой особенности стволовых клеток и их структуры ДНК, важной для поддержания индуцированного плюрипотентного состояния.
ICFO и CRG подали совместный патент и исследуют возможности коммерциализации классификации состояния "стволовости" (stemness) клеток, то есть их степени плюрипотентности. Эта техника может определять потенциал плюрипотентности стволовых клеток с чувствительностью к единичной клетке, что потенциально позволит ей стать стандартным методом контроля качества стволовых или плюрипотентных клеток перед их использованием в клеточной терапии или биомедицинских исследованиях.