Картография клеточного ядра

Внутри каждой клетки человека упаковано около 2 метров ДНК в пространство, в 50 раз меньшее ширины человеческого волоса. Исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) показали, как клетки организуют этот огромный геном, чтобы удобно находить и получать доступ к важным генам. Понимание трёхмерной организации генома критически важно, так как изменения в структуре ДНК связаны с такими заболеваниями, как рак и преждевременное старение.

Работа выполнена в лаборатории Митчелла Гуттмана, доцента биологии. Статья опубликована 7 июня в журнале Cell.

Хотя в большинстве клеток тела содержится идентичный геном, разные типы клеток выполняют различные функции благодаря тому, что гены могут быть экспрессированы на разных уровнях — «включены» или «выключены». Этот процесс регулируется в ядре.

Помимо генома, ядро содержит структуры, называемые ядерными тельцами — своего рода «мини-фабрики», где сконцентрированы клеточные машинерии для выполнения схожих задач (например, активация определённых наборов генов или модификация молекул РНК). Чтобы эффективно находить свои цели среди ~20 000 генов млекопитающих, этой машинерии необходима особая организация ДНК в трёхмерном пространстве.

В новом исследовании команда описала метод SPRITE (Split-Pool Recognition of Interactions by Tag Extension) для трёхмерного картирования того, как ДНК организована в ядре и как регионы хромосом взаимодействуют друг с другом и с ядерными тельцами.

В методе SPRITE каждому молекулярному комплексу в ядре присваивается уникальный молекулярный штрихкод. Все молекулы внутри одного комплекса получают одинаковый код. Затем комплексы разрушают, анализируя молекулы. Наличие одинакового штрихкода у двух молекул указывает на их взаимодействие в ядре.

Под руководством аспирантки Софии Киньодос команда с помощью SPRITE обнаружила, что гены на разных хромосомах кластеризуются вокруг специфических ядерных телец:

• Неактивные гены (выключенные) с разных хромосом собираются вокруг ядрышка, которое содержит репрессивные белки, удерживающие гены в «выключенном» состоянии.
• Активные гены группируются вокруг другого тельца — ядерного спекла, содержащего молекулы, которые помогают генам включиться и начать производство белков.

«Раньше считалось, что каждая хромосома занимает свою собственную "территорию" в ядре. Теперь мы видим, что множество генов с разных хромосом кластеризуются вокруг этих скоплений клеточной машинерии», — говорит София Киньодос.

По мнению исследователей, такие «хабы» могут помогать клетке поддерживать порядок, отделяя активные и неактивные гены в разные части ядра, что облегчает клеточной машинерии доступ к конкретным генам.

Статья озаглавлена: «Higher-Order Inter-chromosomal Hubs Shape 3-D Genome Organization in the Nucleus».