Новое исследование раскрывает механизм упаковки ДНК, управляющий развитием эмбриона

Исследователи из Института рака Хантсмана (HCI) Университета Юты изучили, как ранний эмбрион, образовавшийся после оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом, может дать начало всем типам клеток взрослого организма. Учёные показали, что сотни генов, важных для контроля эмбрионального развития, упакованы уникальным образом уже в раннем эмбрионе и даже в отцовской сперме. Эта упаковка помогает регулировать, как, когда и где разные гены экспрессируются в эмбрионе. Результаты, опубликованные в журнале Cell, важны для понимания того, как организовано раннее развитие, и предлагают механизм, с помощью которого окружающая среда родителей может влиять на экспрессию этих генов у потомства.

Брэд Кэрнс, доктор философии, и его коллеги, включая постдока Патрика Мерфи, использовали в работе рыбку данио — модель, сохраняющую значительное сходство с развитием человека. Они продемонстрировали, что сегменты ДНК (гены), важные для контроля развития, упакованы в физические структуры, которые помогают включать и выключать гены на разных стадиях развития. Эти физические структуры служат платформами для активации или подготовки генов по мере необходимости для нормального развития. Исследователи также идентифицировали белковые комплексы, которые устанавливают эти физические структуры в геном, и белки, которые их удаляют, обеспечивая правильное размещение и функцию. Эта работа основывается на нескольких предыдущих исследованиях лаборатории Кэрнса.

«Ключевой вопрос эмбрионального развития — как ранний эмбрион достигает состояния тотипотентности, то есть способности стать любой клеткой тела. Мы предположили, что центральный ответ может заключаться в упаковке всех генов, принимающих решения, в особое физическое состояние, которое помогает их идентифицировать и регулировать», — объясняет Кэрнс.

Исследование идентифицирует эту упаковку — вариант гистона H2AFV — и предлагает механизм наследования упаковки генов, что имеет важные последствия для потенциала развития и наследственности. Примечательно, что хотя исходная упаковка генов в отцовской сперме несколько отличается от упаковки в материнской яйцеклетке, материнская упаковка перепрограммируется в то же состояние, что и отцовский геном, гармонизируя упаковочные состояния от родителей в раннем эмбрионе для достижения одинакового состояния клеточного развития.

Последствия этой работы включают возможный механизм того, как факторы окружающей среды (например, курение) могут влиять на наследование признаков, воздействуя на то, как упакованы гены развития. «Эти состояния упаковки помогают определить, экспрессируются ли гены и как в нормальном развитии. Такие гены, если они неправильно регулируются, могут привести к нарушениям развития и, возможно, к предрасположенности к раку», — говорит Кэрнс.