Ученые связали 3D-структуру хромосом с плотностью распределения активных генов

Геномы позвоночных, в том числе и человека, условно можно разделить на две большие части в зависимости от того, сколько в них содержится генов, кодирующих белки. Условно их называют компартментами А и В. Компартмент А соответствует районам хромосом, где активно идет транскрипция, то есть считывание информации об РНК с ДНК. Вторая часть, компартмент В, наоборот, соответствует областям, которые почти не содержат генов, кодирующих белки, и представляет собой так называемые репрессивные участки, богатые повторами и другими регуляторными элементами ДНК. Транскрипционная активность генов тесно связана с пространственной укладкой генетической информации, или архитектурой генома. Дело в том, что считывать информацию с ДНК помогают особые белки — транскрипционные факторы. И, чтобы они могли присоединиться к ДНК, эта молекула, в норме плотно скрученная подобно запутанному клубку ниток, должна «распутаться» и выпрямиться. 3D-строение генома и транскрипционный аппарат вместе поддерживают длительное состояние активного или репрессивного статуса хроматина в каждом конкретном участке ДНК. Нарушение архитектуры ДНК может привести к развитию различных заболеваний, в том числе онкологических. Поэтому, чем больше будет известно о молекулярных механизмах изменений в 3D-строении ДНК, тем станет понятнее, как именно нужно лечить связанные с этим заболевания.

Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) сравнили структуру укладки молекул ДНК и генетическую активность в соматических, то есть обычных клетках тела, и в ооцитах (женских половых клетках) курицы. Когда в процессе развития организма клетка приобретает специализацию, например, становится эпителиальной, нервной или половой, архитектура генома тоже меняется, и это влияет на активность генов. Сопоставление половых и соматических клеток помогает лучше понять принципы упаковки генетической информации.

В ооцитах птиц происходит интенсивный синтез РНК, необходимых для производства белков для будущего зародыша, — а потому и активная транскрипция. Это, в свою очередь, влияет на внешний вид хромосом: они становятся в десятки раз больше хромосом соматических клеток, могут достигать одного миллиметра в длину, их хорошо видно даже в обычный микроскоп. Кроме того, они имеют характерную укладку, напоминающую ершик для чистки керосиновых ламп, в связи с чем их называют хромосомами типа «ламповых щеток». Ось такой «щетки» состоит из цепи хромомеров — узелков плотно упакованного хроматина, расположенных друг за другом. В этих участках практически не осуществляется синтез РНК, так как почти нет генов, содержащих информацию о строении белка. От этой «неактивной» оси отходят петли, каждая из которых состоит из нити ДНК с очень интенсивной транскрипцией.

«В соматических клетках крайне сложно провести анализ одновременно и транскрипционной активности, и архитектуры генома. Его небольшой размер также усложняет анализ, тогда как гигантские хромосомы в ооцитах могут помочь выявить универсальные механизмы разделения хроматина на активные и неактивные части», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Алла Красикова, кандидат биологических наук, руководитель лаборатории структуры и динамики клеточного ядра, доцент кафедры цитологии и гистологии СПбГУ.

Авторы выделили генетический материал из клеток соединительной ткани курицы, после чего сопоставили полученные последовательности ДНК с укладкой хромосом в ооцитах, обращая внимания на то, какие гены находятся в активных и репрессивных участках. Чтобы различить эти участки, ученые пометили их разными светящимися ДНК-зондами — короткими последовательностями нуклеотидов, которые присоединялись к строго определенным участкам хромосомы. В результате по разнице в свечении исследователи выяснили, что границы активных и репрессивных зон не соответствуют границам хромомеров. Вместо одного крупного неактивного участка ученые наблюдали несколько мелких репрессивных зон на нити ДНК.

Таким образом ученые установили, что и в половых, и в соматических клетках участки активного хроматина соответствуют сегментам хромосом, состоящим из мелких «узелков» хромомеров и длинных боковых петель. Участки с крупными «узелками» и короткими петлями соответствуют плотно скрученным репрессивным зонам с низкой плотностью генов и неактивной транскрипцией.

«В дальнейшем мы планируем изучить механизмы формирования отдельных хромомеров. Кроме того, интересно изучить сам механизм гипертранскрипции в ооците и влияние сверхбыстрого синтеза РНК на хромосомах типа ламповых щеток на активность генов», — рассказывает Алла Красикова.