Метод 3-D визуализации картирует перемещение генетического материала в центре клеток

Ученые составили карту реорганизации генетического материала, происходящей при созревании стволовой клетки в нервную. Детальные 3-D визуализации показали неожиданную связность генетического материала в ядре клетки и дали новое понимание эволюционирующей архитектуры клетки.

Эти уникальные 3-D реконструкции обонятельных клеток мыши, управляющих чувством обоняния, были получены с использованием инструментов рентгеновской визуализации в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США. Результаты могут помочь понять, как паттерны и реорганизация ДНК-содержащего материала, называемого хроматином, в ядре клетки связаны со специализированной функцией клетки при активации или подавлении конкретных генов.

Хроматин компактизируется с образованием хромосом, которые передают генетический отпечаток организма вновь образованным клеткам во время деления клетки.

Результаты были опубликованы на этой неделе в специальном выпуске Cell Reports, посвященном эпигенетике — области исследований, сфокусированной на слое биохимии, который влияет на экспрессию генов, тесно связан с ДНК, но не изменяет генетический код.

Исследователи использовали мощный рентгеновский микроскоп в Advanced Light Source (ALS) Berkeley Lab для получения изображений образцов нервных клеток на разных стадиях созревания по мере их специализации — этот процесс известен как «дифференцировка». Клетки на каждой стадии были сняты под десятками разных углов с использованием рентгеновских лучей. Каждый набор 2-D изображений использовался для расчета 3-D реконструкции клетки, детализирующей изменяющиеся образования хроматина в ядрах.

Они также смогли измерить плотную упаковку в форме хроматина, называемой гетерохроматином, и узнали о важности конкретного белка в контроле компактизации гетерохроматина и его ограничения ядром.

«Это новый способ взглянуть на ядро, при котором нам не нужно химически обрабатывать клетку», — сказала Кэролайн Ларабелл, директор Национального центра рентгеновской томографии (NCXT), совместной программы Berkeley Lab и Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF). «Возможность напрямую визуализировать и количественно оценивать изменения в ядре чрезвычайно важна и много лет была в списке желаний клеточных биологов».

Хроматин «печально известен своей чувствительностью», по ее словам, к химическим красителям и другим химическим добавкам, часто используемым в биологической визуализации для выделения областей интереса в образце. «До сих пор было возможно визуализировать ядро только косвенно, окрашивая его, и в этом случае исследователю приходится слепо верить, что краситель распределился равномерно».

Ларабелл, научный сотрудник Berkeley Lab и профессор UCSF, отметила, что ранее считалось, что хроматин существует как серия разрозненных островков, однако последнее исследование показало, как хроматин разделен на два различных региона «скопления», образующих непрерывную сеть по всему ядру.

«Мы были действительно удивлены: нет никаких островков, все связано», — сказала она, добавив: «Мы могли видеть, как хроматины упакованы в ядре и как молекулы движутся через ядро, и мы обнаружили, что гетерохроматин на 30% более плотно упакован, чем область, где находятся активные гены. Это невозможно сделать с помощью других методов визуализации». Двумерные изображения показали бы ядро как «плоский, запутанный беспорядок», сказала она.

Одной из целей последнего исследования было получить новое представление об экспрессии генов у мышей, специфичных для обонятельных генов. У мышей около 1500 генов, связанных с обонянием. Каждая обонятельная нервная клетка экспрессирует только один из этих обонятельных генов для производства рецептора, распознающего связанный набор запахов. Множество рецепторов в носовой полости мыши позволяют ей обнаруживать широкий спектр запахов.

«Мы пытаемся понять, как реорганизация хроматина влияет на экспрессию генов», — сказала Ларабелл. «Никто еще не смог изучить это на человеческом уровне». Это исследование, надеемся, приведет к новым открытиям о заболеваниях и расстройствах, связанных с экспрессией генов. Уже сейчас результаты исследования включаются в модели развития клеток.

Одним из предвестников болезни Альцгеймера, которая поражает нервные клетки мозга, является потеря обоняния, поэтому понимание этой связи с обонятельными нервными клетками могло бы послужить диагностическим инструментом и, возможно, раскрыть более глубокое понимание дегенеративного расстройства.

В последнем исследовании использовалась методика микроскопии, известная как мягкая рентгеновская томография, для записи серии изображений небольших групп из десятков замороженных обонятельных нервных клеток на трех отдельных стадиях развития. Эта методика, уникальная для ALS Berkeley Lab, захватывала детали размером до десятков нанометров (десятков миллиардных долей метра). Исследователи визуально отличали области сильно компактизированного гетерохроматина от других типов хроматина.

С доказанным успехом метода визуализации Ларабелл сказала, что теперь возможно проводить статистический анализ на основе больших коллекций изображений ядер клеток, отсортированных по разным стадиям развития. В сочетании с другими типами методов визуализации исследователи надеются изолировать индивидуальные процессы выбора генов в предстоящей работе.

«Эта работа подчеркивает силу междисциплинарных исследований», — сказал Марк Ле Гро, заместитель директора NCXT и физик, ответственный за проектирование и строительство рентгеновского микроскопа. Ле Гро, ведущий автор этого исследования, добавил: «Это пример работы, которая потребовала сочетания молекулярных биологов и клеточных биологов с физиками и компьютерными учеными».