Структура ядра клетки давно служит видимым признаком того, здорова ли клетка или поражена болезнью. Хотя учёные добились значительного прогресса в понимании генов и их функций, было гораздо сложнее напрямую связать то, что мы видим в микроскоп, с тем, что происходит внутри нашей ДНК. Теперь новый метод помогает объединить эти два мира.
Доктор Аджай Лабаде, доктор Закари Чианг и Кэролайн Коменхо вместе с исследователями под руководством доктора Джейсона Буэнростро из Гарвардского университета создали новую технику, называемую Expansion in situ Genome Sequencing (ExIGS). Она включает в себя секвенирование ДНК непосредственно внутри клеток с сохранением их естественной структуры. Исследование опубликовано в журнале Science.
Что такое ExIGS и как она работает?
ExIGS даёт исследователям возможность детально рассмотреть как ДНК, так и важные белки внутри ядра — центра управления клеткой. В отличие от более ранних методов, этот позволяет учёным фактически увидеть, как эти молекулы расположены в пространстве и как они взаимодействуют.
Команда использовала этот метод для изучения клеток человека с синдромом Хатчинсона-Гилфорда прогерии (HGPS) — редким заболеванием, вызывающим быстрое старение детей. Они обнаружили неожиданную связь между аномальной формой ядер этих клеток и подавлением определённых генов.
В здоровых клетках эухроматин, свободно упакованная и активная форма ДНК, в которой гены включены, поддерживает нормальное функционирование клетки. Но в клетках прогерии эта обычно активная ДНК была обнаружена выключенной в определённых областях. Это говорит о том, что изменений в форме ядра может быть достаточно, чтобы выключить важные гены.
«Аномалии ламина связаны с горячими точками аберрантной репрессии эухроматина, которые могут разрушать клеточную идентичность», — сказал доктор Буэнростро. Белки ламина являются частью поддерживающей оболочки ядра. Это означает, что, когда эта поддерживающая структура разрушается, она может подавлять гены, которые придают клеткам их уникальные роли.
Чтобы подтвердить надёжность своего метода, исследователи показали, что ExIGS сохраняет естественную структуру ядра неповреждённой, обеспечивая при этом гораздо более чёткие детали — примерно в десять раз больше, чем более ранние методы секвенирования. Они объединили это с флуоресцентной маркировкой — способом заставить определённые молекулы светиться, чтобы их можно было отследить, — чтобы увидеть, как хромосомы — структуры, содержащие ДНК — движутся и как эти изменения связаны с активностью генов.
«Присутствие аномалий ламина связано с увеличением частоты нарушенных районов», — сказал доктор Лабаде. Он отметил, что, хотя эти аномалии явно связаны с изменениями в активности генов, они не тянут эухроматин напрямую. Вместо этого эффект более неоднородный и локальный, а не равномерно влияющий на всё ядро.
Их наблюдения показали, что даже внутри одной клетки области, затронутые этими структурными изменениями, непредсказуемы. Эти проблемные места были разбросаны и, как правило, затрагивали участки генома, участвующие в коммуникации между клетками. Такая случайность может затруднить устранение последствий.
Доктор Чианг оглянулся на годы усилий, которые потребовались, чтобы достичь этого: «Этот проект начинался не более чем как сумасшедшая идея: что мы могли бы напрямую секвенировать геномы внутри ядра. Это никогда не взлетело бы нигде, кроме академических кругов, где мы потратили 7 мучительных лет, воплощая это в реальность». Он также подчеркнул важность постоянного финансирования таких высокорисковых, но перспективных научных исследований.
Значимость этого нового инструмента выходит далеко за рамки одного заболевания. ExIGS открывает дверь для изучения того, как изменения в форме и структуре ядра могут играть роль в старении, раке и многих других состояниях. Он даёт возможность наконец связать то, что мы видим в микроскоп, с тем, как ведут себя наши гены.
О авторах
Доктор Джейсон Буэнростро — ведущий исследователь в области регуляции генов и геномики отдельных клеток. Работает в Гарвардском университете и Институте Броуда. Он является пионером нескольких методов, которые показывают, как клетки организуют и регулируют свою ДНК, включая широко используемый метод ATAC-seq. Его работа сосредоточена на разработке технологий, связывающих пространственное расположение генома с его функциональным состоянием, с целью понимания того, как эти процессы нарушаются при таких заболеваниях, как рак и старение.
Доктор Зак Чианг — исследователь геномики, известный своим вкладом в пространственный анализ генома и картирование ДНК с высоким разрешением в отдельных клетках. Как учёный в Гарвардском университете и Институте Броуда, он сыграл ключевую роль в разработке метода Expansion in situ Genome Sequencing (ExIGS), который визуализирует ДНК и ядерные белки с точностью до наномасштаба. Его исследовательские интересы лежат на пересечении разработки технологий и биологических открытий, особенно в том, как физические изменения в клетке могут влиять на активность генов.
Доктор Аджай Лабаде — молекулярный биолог и технолог-новатор, специализирующийся на геномном секвенировании и пространственном анализе клеток. В Гарвардском университете и Институте Броуда он стал соавтором ExIGS — нового метода, который позволяет учёным изучать физическую и функциональную организацию генома в неповреждённых клетках. Доктор Лабаде убеждён в силе науки, основанной на любопытстве, и подчёркивает важность академической свободы и долгосрочных инвестиций в высокорисковые, но перспективные исследования.
Кэролайн Коменхо — восходящая звезда в области клеточной геномики, внёсшая значительный вклад в разработку методов секвенирования генома с высоким разрешением. В Институте Броуда и Гарвардском университете она сотрудничала в создании платформы ExIGS, которая позволяет точно пространственно картировать ДНК внутри ядра клетки. Её работа сосредоточена на понимании того, как структура ядра влияет на экспрессию генов, особенно при старении и заболеваниях. Коменхо сочетает в себе знания в области молекулярной биологии и сильный фундамент в области технологий визуализации, помогая преодолеть разрыв между данными секвенирования и визуальными характеристиками клеток.