Архитектура ядра формируется при активации генома

ДНК в каждой клетке человеческого тела, если вытянуть в линию, имеет длину около двух метров. Однако клетки умудряются компактно упаковать этот генетический материал в ядро размером всего в несколько микрометров. Эта упаковка должна быть упорядоченной, чтобы клетка могла получать доступ к генетической информации для производства мРНК или репликации ДНК. Мутации, нарушающие пространственную организацию генома, приводят к нарушениям развития и раку.

Учёные давно изучают пространственную организацию генома в ядре, в основном с помощью микроскопии. Современные геномные методы позволили повысить разрешение анализа 3D-организации. Однако оставалось неизвестным, когда именно в процессе развития возникает эта организация. Исследователи из группы «Регуляторная геномика» Института молекулярной биомедицины Макса Планка в Мюнстере, используя эмбрионы плодовой мушки на ранних стадиях развития, показали, что 3D-организация генома возникает в момент, когда эмбрион включает собственную генетическую программу.

«Можно представить это как тарелку спагетти, где каждая макаронина — это молекула ДНК в хромосоме», — говорит руководитель исследования Хуанма Васкерис. «Фундаментальный вопрос: спагетти беспорядочно перемешаны или занимают определённое место на тарелке?»

Ранее с помощью микроскопии было установлено, что расположение хроматина в ядре не случайно. Современные методы показали, что базовыми функциональными единицами 3D-организации являются топологически ассоциированные домены (TADs). Однако загадкой оставалось, почему организация TADs очень похожа в разных типах клеток одного организма и в консервативных участках ДНК у разных видов, несмотря на разную активность генов. Это побудило Клеменса Хуга и Хуанму Васкериса выяснить, когда в ходе развития организма формируется архитектура хроматина.

Команда обратилась к раннему развитию плодовой мушки. «Удивительная особенность — после оплодотворения ядра синхронно делятся каждые 10–15 минут тринадцать раз без активации генов», — объясняет Васкерис. Развитие в эти начальные ядерные циклы обеспечивают материнские мРНК и белки. Затем, на 14-м ядерном цикле — всего через 2,5 часа после оплодотворения — активируется собственный геном эмбриона. «Таким образом, мы можем с высокой временной точностью изучать раннюю организацию хроматина», — говорит Васкерис.

Используя современный геномный анализ — метод in situ Hi-C — учёные смогли с высоким пространственным разрешением изучить организацию хроматина. «Этот метод позволяет точно определить, какие части ДНК взаимодействуют друг с другом в трёхмерном пространстве ядра», — поясняет первый автор исследования, аспирант Клеменс Хуг.

Оказалось, что на ранних стадиях развития у генома отсутствует чёткая организация хроматина высшего порядка, а 3D-архитектура постепенно формируется на более поздних этапах.

«Мы обнаружили, что границы TADs — определяющие функционально различные единицы хроматина — возникают, когда начинается транскрипция первых зиготических генов. Их количество достигает плато, когда активируется весь зиготический геном», — говорит Хуг. «Эти границы заняты генами «домашнего хозяйства», которые постоянно транскрибируются во всех типах клеток. После установления они поддерживаются на протяжении всего развития». Это важное открытие, объясняющее, почему организация TADs схожа в разных тканях и эволюционно консервативных регионах у разных видов.

При этом учёные показали, что установление границ TADs не зависит от самой транскрипции, хотя и связано с транскрипционно активными регионами. «Это интересно, поскольку предполагает, что механизмы, ведущие к транскрипции, могут играть роль в формировании границ TADs», — отмечает Хуг.

Было обнаружено, что белок Zelda — пионерный транскрипционный фактор, открывающий хроматин для доступа транскрипционного аппарата к ДНК, — необходим для установления некоторых границ TADs. «Мы полагаем, что Zelda и, возможно, другие белки с аналогичной функцией вместе с RNA Pol II создают границы TADs и, следовательно, ответственны за 3D-архитектуру хроматина», — говорит Хуг.

«Когда нарушается работа белков, определяющих границы TADs — а значит, критичных для архитектуры хроматина, — это может приводить к различным нарушениям развития и раку», — заключает Васкерис. «Наши новые данные о том, как устанавливается и поддерживается 3D-архитектура хроматина, окажут большое влияние на дальнейшие исследования её роли в регуляции экспрессии генов в ходе развития и при заболеваниях».