Хромосомы — «ламповые щетки» помогли ученым обнаружить новый механизм упаковки ДНК

Лондонский фонарь — Щетки, которыми коммунальщики XIX века очищали от пыли, грязи и насекомых сначала газовые, а потом электрические фонари, неожиданно дали название гигантских хромосом яйцеклеток. Источник: Unsplash

Специалисты из Института цитологии и генетики СО РАН вместе с коллегами из Санкт-Петербургского государственного университета выяснили, что полигенные хромосомы типа «ламповых щеток» (англ. lampbrush chromosomes) помогают раскрыть механизмы, управляющие трехмерной организацией ДНК и активностью генов. Эти необычные структуры появляются в созревающих яйцеклетках птиц, амфибий и некоторых других животных и выглядят как длинные нити с множеством боковых петель — отсюда и необычное название. Оно появилось после открытия этих элементов в 1882 году учеными Флемингом и Руккертом. Хромосомы напомнили им щетки, которыми чистили уличные фонари.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nucleic Acids Research.

ДНК расправляет «петли» ради работы генов

Исследование показало, что наиболее активные гены располагаются именно в боковых петлях таких хромосом. В этих участках ДНК развернута и доступна для интенсивного считывания генетической информации. Напротив, плотные участки — хромомеры — почти не участвуют в синтезе РНК.

Гигатская хромосома. Теперь вы знаете, как выглядела щетка фонарзщика.Источник: https://commons.wikimedia.org/

Ученые сопоставили расположение активных и «молчаливых» зон генома с пространственной организацией хромосом и пришли к выводу, что архитектура ДНК напрямую связана с тем, какие гены клетка использует в конкретный момент. Это особенно важно для эмбрионального развития: именно в яйцеклетке заранее накапливаются молекулы РНК, необходимые будущему зародышу в первые дни жизни.

Гигантские хромосомы стали «живой картой» генома

Авторы отмечают, что хромосомы-«ламповые щетки» удобны для изучения работы генов благодаря своим огромным размерам — они могут достигать нескольких миллиметров и хорошо видны даже в обычный оптический микроскоп. Такая особенность позволяет вживую наблюдать, какие участки ДНК активируются в реальном времени.

Схема работы ламповых щеток — Авторы работы совместили данные геномики (Hi-C, single-cell Hi-C, анализ метилирования ДНК, транскриптомики) и микроскопии с детальным биофизическим моделированием. Результаты продемонстрировали, что РНК-полимеразы, продвигаясь по активному гену, «сметают» большинство белков на своём пути, но не могут разорвать когезиновые кольца, которые удерживают вместе две сестринские хроматиды. Эти кольца сдвигаются к концам активных генов и накапливаются там, мешая другим белкам свернуть ДНК более компактно.Источник: Новости РАН

Исследователи также обнаружили, что границы активных зон генома не всегда совпадают с видимыми структурами хромосом. Это говорит о существовании дополнительных факторов, влияющих на пространственную упаковку ДНК и доступность генов для считывания.

Полученные данные помогут лучше понять механизмы регуляции генов не только у птиц, но и у человека. Нарушения пространственной архитектуры генома сегодня связывают с рядом тяжелых заболеваний, включая некоторые формы рака и наследственные патологии.

Похожие «петли» активной ДНК недавно удалось наблюдать и в клетках млекопитающих. Исследователи выяснили, что особенно активно работающие гены буквально выпячиваются из плотной упаковки хромосом, образуя длинные транскрипционные инструменты.

Фонарь и Лондонский глаз — Старинный фонарь на фоне колеса обозрения «Лондонский глаз».Источник: Unsplash

Современные нейросети уже умеют предсказывать трехмерную структуру генома по последовательности ДНК. Российская модель Chimaera показала, что правила упаковки хроматина могут различаться у разных видов животных. Подробнее об этом — в материале Hi-Tech Mail.