Учёные обнаружили крошечные петли в геномах делящихся клеток

от

Перед делением клетки им необходимо реплицировать все свои хромосомы, чтобы каждая из дочерних клеток получила полный набор генетического материала. До сих пор считалось, что при делении геном теряет свою характерную трёхмерную внутреннюю структуру, которую он обычно формирует.

Считалось, что после завершения деления геном постепенно восстанавливает эту сложную, шаровидную структуру, которая играет важную роль в контроле активности генов в данной клетке.

Однако новое исследование Массачусетского технологического института (MIT) показывает, что на самом деле эта картина не совсем точна. Используя метод картирования генома с более высоким разрешением, исследовательская группа обнаружила, что небольшие трёхмерные петли, соединяющие регуляторные элементы и гены, сохраняются в геноме во время клеточного деления, или митоза.

Исследование опубликовано в журнале Nature Structural & Molecular Biology.

«Это исследование действительно помогает прояснить, как мы должны думать о митозе. В прошлом митоз считался чистым листом, без транскрипции и без структуры, связанной с генной активностью. И теперь мы знаем, что это не совсем так», — говорит Андерс Сейр Хансен, доцент биологической инженерии в MIT. «Мы видим, что структура всегда есть. Она никогда не исчезает».

Исследователи также обнаружили, что эти регуляторные петли, по-видимому, усиливаются, когда хромосомы становятся более компактными при подготовке к делению клеток. Это уплотнение сближает генетические регуляторные элементы и способствует их объединению. Это может помочь клеткам «запомнить» взаимодействия, присутствующие в одном клеточном цикле, и перенести их в следующий.

«Результаты помогают связать структуру генома с его функцией в управлении активацией и выключением генов, что десятилетиями было серьёзной проблемой в этой области», — говорит Вираат Гоэль, доктор философии 2025 года, ведущий автор исследования.

В исследовании участвовали:
* Андерс Сейр Хансен;
* Эдвард Баниган, научный сотрудник Института медицинской инженерии и науки MIT;
* Леонид Мирный, профессор Института медицинской инженерии и науки MIT и физического факультета;
* Герд Блобел, профессор Медицинской школы Перельмана при Пенсильванском университете.

За последние 20 лет учёные обнаружили, что внутри клеточного ядра ДНК организуется в трёхмерные петли. Хотя многие петли обеспечивают взаимодействие между генами и регуляторными областями, которые могут находиться на расстоянии миллионов пар оснований друг от друга, другие образуются во время клеточного деления для компактизации хромосом.

Большая часть картирования этих трёхмерных структур была выполнена с помощью метода, называемого Hi-C, первоначально разработанного группой исследователей MIT под руководством Джоба Деккера в Медицинской школе Университета Массачусетса Чан.

Для проведения Hi-C исследователи используют ферменты, чтобы разрезать геном на множество мелких кусочков и биохимически связать кусочки, которые находятся рядом друг с другом в трёхмерном пространстве внутри ядра клетки. Затем они определяют идентичности взаимодействующих кусочков, секвенируя их.

Однако этот метод не имеет достаточно высокого разрешения, чтобы выявить все специфические взаимодействия между генами и регуляторными элементами, такими как энхансеры. Энхансеры — это короткие последовательности ДНК, которые могут помочь активировать транскрипцию гена, связываясь с промотором гена — местом, где начинается транскрипция.

В 2023 году Хансен и другие разработали новую технику, которая позволяет им анализировать трёхмерные структуры генома с разрешением в 100–1000 раз больше, чем это было возможно ранее. Эта техника, известная как Region-Capture Micro-C (RC-MC), использует другой фермент, который разрезает геном на мелкие фрагменты одинакового размера. Она также фокусируется на меньшем сегменте генома, что позволяет проводить высокоразрешающее трёхмерное картирование целевой области генома.

Используя эту технику, исследователи смогли идентифицировать новый вид структуры генома, который ранее не был замечен, который они назвали «микрокомпартментами». Это крошечные сильно связанные петли, которые образуются, когда энхансеры и промоторы, расположенные рядом друг с другом, слипаются.

В этой статье эксперименты показали, что эти петли были сформированы не теми же механизмами, которые формируют другие структуры генома, но исследователи не смогли точно определить, как они образуются. В надежде ответить на этот вопрос команда решила изучить клетки во время клеточного деления.

Во время митоза хромосомы становятся намного более компактными, чтобы их можно было продублировать, отсортировать и разделить между двумя дочерними клетками. При этом более крупные структуры генома, называемые A/B компартментами и топологически ассоциирующимися доменами (TADs), полностью исчезают.

Исследователи полагали, что микрокомпартменты, которые они обнаружили, также исчезнут во время митоза. Отслеживая клетки в течение всего процесса клеточного деления, они надеялись узнать, как микрокомпартменты появляются после завершения митоза.

«Во время митоза считалось, что почти вся генная транскрипция отключается. И до нашей статьи считалось также, что вся трёхмерная структура, связанная с генной регуляцией, теряется и заменяется компактизацией. Это полный сброс каждого клеточного цикла», — говорит Хансен.

Однако, к их удивлению, исследователи обнаружили, что микрокомпартменты всё ещё можно увидеть во время митоза, и фактически они становятся более заметными по мере прохождения клеткой клеточного деления.

«Мы начали это исследование, думая, что точно знаем одно: в митозе нет регуляторной структуры, а затем мы случайно обнаружили структуру в митозе», — говорит Хансен.

Используя свою технику, исследователи также подтвердили, что более крупные структуры, такие как A/B компартменты и TADs, исчезают во время митоза, как это наблюдалось ранее.

«Это исследование использует беспрецедентное геномное разрешение анализа RC-MC, чтобы выявить новые и удивительные аспекты организации митотического хроматина, которые мы упустили из виду в прошлом, используя традиционные методы на основе 3C. Авторы показывают, что вопреки хорошо описанной драматической потере TADs и компартментализации во время митоза, мелкомасштабные «микрокомпартменты» — вложенные взаимодействия между активными регуляторными элементами — сохраняются или даже временно усиливаются», — говорит Эффие Апостолу, доцент кафедры молекулярной биологии в медицине в Weill Cornell Medicine, которая не участвовала в исследовании.

Результаты могут объяснить всплеск генной транскрипции, который обычно происходит в конце митоза. С 1960-х годов считалось, что транскрипция полностью прекращается во время митоза, но в 2016 и 2017 годах несколько исследований показали, что клетки подвергаются кратковременному всплеску транскрипции, который быстро подавляется до тех пор, пока клетка не закончит деление.

В своём новом исследовании команда MIT обнаружила, что во время митоза микрокомпартменты чаще всего обнаруживаются рядом с генами, которые активируются во время клеточного деления. Они также обнаружили, что эти петли, по-видимому, формируются в результате компактизации генома, которая происходит во время митоза. Эта компактизация сближает энхансеры и промоторы, позволяя им слипаться и образовывать микрокомпартменты.

После формирования петли, составляющие микрокомпартменты, могут частично активировать транскрипцию генов, но затем клетка её подавляет. Когда клетка заканчивает деление и переходит в состояние, известное как G1, многие из этих небольших петель становятся слабее или исчезают.

«Кажется, что этот всплеск транскрипции в митозе — нежелательная случайность, возникающая из-за создания уникальной благоприятной среды для формирования микрокомпартментов во время митоза», — говорит Хансен. «Затем клетка быстро удаляет и фильтрует многие из этих петель, когда входит в G1».

Поскольку на компактизацию хромосом также могут влиять размер и форма клетки, исследователи в настоящее время изучают, как вариации этих характеристик влияют на структуру генома и, в свою очередь, на регуляцию генов.

«Мы думаем о некоторых естественных биологических условиях, когда клетки меняют форму и размер, и о том, можем ли мы объяснить некоторые изменения трёхмерного генома, которые ранее не имели объяснения», — говорит Хансен.

«Другой ключевой вопрос: как клетка затем выбирает, какие микрокомпартменты сохранить, а какие удалить при входе в G1, чтобы обеспечить точность экспрессии генов?»

Предоставлено Massachusetts Institute of Technology.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте