Обратное проектирование 3D-моделей хромосом для отдельных клеток
Геномный анализ показывает гены и их положение на нити ДНК, но не раскрывает их пространственное расположение внутри хромосом — сложных трёхмерных структур, содержащих генетическую информацию.
Хромосомы, напоминающие размытый «X» на микрофотографиях, могут нести тысячи генов. Они формируются, когда ДНК наматывается на белки-гистоны, которые далее сворачиваются в комплексы хроматина, составляющие отдельные хромосомы.
Знание о том, какие гены находятся в пространственной близости в хроматине, важно, поскольку близко расположенные гены обычно работают вместе.
Исследователи из Университета Иллинойса в Чикаго сообщили о вычислительном методе, который использует данные тепловых карт для обратного проектирования детальных моделей хромосом. Эта работа позволила раскрыть новую информацию о тесных пространственных связях, которые складывание хроматина создаёт между генами, удалёнными друг от друга вдоль нитей ДНК.
Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
«Сворачивание хроматина сближает гены, которые находятся далеко друг от друга. Если мы знаем, что определённые группы генов являются пространственными соседями из-за этого сворачивания, это говорит нам, что они, скорее всего, работают вместе для управления такими процессами, как развитие иммунитета, или даже более фундаментальными процессами, такими как развитие или дифференцировка клеток», — сказал Цзе Лян, профессор биоинженерии и соавтор статьи. «Это важно для лучшего понимания этих процессов или разработки новых методов лечения для профилактики или терапии рака и других заболеваний».
Лян и его коллеги разработали способ обратного проектирования сложных структур отдельных хромосом, используя информацию из метода Hi-C. Hi-C генерирует тепловые карты на основе вероятностей, отражающих, какие гены с наибольшей вероятностью находятся в пространственной близости друг к другу. Эти карты дают приблизительную трёхмерную информацию об организации хромосом, но, поскольку они основаны на генетическом материале из множества клеток, они представляют собой усреднённые вероятности близости, а не точные местоположения.
Исследователи изучили тепловые карты Hi-C хромосом из клеток эмбрионов плодовой мушки (у которых всего восемь хромосом). Используя эти карты вместе с новыми передовыми вычислительными методами, они создали чрезвычайно детальные трёхмерные модели хромосом отдельных клеток.
«Впервые мы можем создавать модели отдельных клеток, которые точно отражают пространственные генетические отношения внутри хромосом, — сказал Лян. — С помощью этих моделей мы можем обнаруживать богатые биологические закономерности и отвечать на фундаментальные вопросы о трёхмерных структурных изменениях хромосом, которые приводят к развитию стволовых клеток в различные ткани, и о том, как сбои в этих процессах ведут к таким заболеваниям, как рак».