Удивительное открытие: в геномах делящихся клеток обнаружены крошечные петли
До деления клетки должны реплицировать все свои хромосомы, чтобы каждая дочерняя клетка получила полный набор генетического материала. Ранее считалось, что во время деления (митоза) геном теряет характерную 3D-структуру, которая играет ключевую роль в контроле активности генов. Считалось, что после завершения деления эта сложная структура постепенно восстанавливается.
Новое исследование MIT показывает, что эта картина не совсем точна. Используя технику картирования генома с более высоким разрешением, исследовательская группа обнаружила, что во время митоза в геноме сохраняются небольшие 3D-петли, соединяющие регуляторные элементы и гены.
Исследование опубликовано в Nature Structural & Molecular Biology.
«Это исследование действительно помогает прояснить, как мы должны думать о митозе. Раньше митоз считался чистым листом, без транскрипции и без структуры, связанной с активностью генов. И теперь мы знаем, что это не совсем так. Мы видим, что структура всегда есть. Она никогда не исчезает», — говорит Андерс Сейр Хансен, доцент биологической инженерии MIT.
Исследователи также обнаружили, что эти регуляторные петли, по-видимому, укрепляются, когда хромосомы уплотняются при подготовке к делению. Это уплотнение сближает генетические регуляторные элементы и способствует их связыванию. Это может помочь клеткам «запомнить» взаимодействия, присутствующие в одном клеточном цикле, и перенести их в следующий.
«Результаты помогают связать структуру генома с его функцией управления включением и выключением генов, что было нерешенной проблемой в этой области на протяжении десятилетий», — говорит ведущий автор исследования Вираат Гоэл.
Неожиданный результат
За последние 20 лет было обнаружено, что ДНК в ядре клетки организуется в 3D-петли. Большая часть картирования этих структур была выполнена с помощью техники Hi-C. Однако у этого метода недостаточно высокое разрешение, чтобы выявить все специфические взаимодействия между генами и регуляторными элементами, такими как энхансеры.
В 2023 году Хансен и другие разработали новую технику Region-Capture Micro-C (RC-MC), которая позволяет анализировать 3D-структуры генома с разрешением в 100–1000 раз выше, чем ранее. С её помощью исследователи смогли идентифицировать новый тип структуры генома — «микрокомпартменты». Это крошечные, сильно связанные петли, которые образуются, когда близко расположенные энхансеры и промоторы связываются вместе.
В надежде выяснить, как образуются эти петли, команда начала изучать клетки во время митоза. Ранее считалось, что во время митоза все 3D-структуры, связанные с регуляцией генов, исчезают, а микрокомпартменты, как ожидалось, также должны были исчезнуть.
Однако, к своему удивлению, исследователи обнаружили, что микрокомпартменты всё ещё можно наблюдать во время митоза, и они становятся более заметными по мере прохождения клеткой деления.
«Мы начали это исследование, думая, что единственное, в чём мы уверены, — это отсутствие регуляторной структуры в митозе, а затем случайно обнаружили структуру в митозе», — говорит Хансен.
Используя свою технику, исследователи также подтвердили, что более крупные структуры, такие как A/B-компартменты и TADs (топологически ассоциированные домены), действительно исчезают во время митоза.
Всплеск транскрипции
Это открытие может объяснить всплеск транскрипции генов, который обычно происходит ближе к концу митоза. Ранее в 1960-х годах считалось, что транскрипция полностью прекращается во время митоза, но исследования 2016 и 2017 годов показали, что клетки переживают кратковременный всплеск транскрипции.
В новом исследовании команда MIT обнаружила, что во время митоза микрокомпартменты с большей вероятностью обнаруживаются рядом с генами, активность которых резко возрастает при делении. Они также выяснили, что эти петли, по-видимому, образуются в результате уплотнения генома во время митоза. Это уплотнение сближает энхансеры и промоторы, позволяя им связываться и формировать микрокомпартменты.
Образовавшиеся петли могут случайным образом активировать транскрипцию генов, которая затем подавляется клеткой. Когда клетка завершает деление и переходит в фазу G1, многие из этих небольших петель ослабевают или исчезают.
«Похоже, что этот транскрипционный всплеск в митозе — нежелательная случайность, возникающая из-за создания уникально благоприятной среды для образования микрокомпартментов во время митоза. Затем клетка быстро "подрезает" и отфильтровывает многие из этих петель при входе в G1», — объясняет Хансен.
Поскольку на уплотнение хромосом также могут влиять размер и форма клетки, исследователи теперь изучают, как вариации этих характеристик влияют на структуру генома и, в свою очередь, на регуляцию генов.