Благодаря новой технике картирования с высоким разрешением учёные сделали открытие, которое опровергло давнее убеждение о том, что геном теряет свою трёхмерную структуру при делении клеток.
До деления клетки должны сначала реплицировать все свои хромосомы, чтобы каждая из дочерних клеток могла получить полный набор генетического материала. До сих пор учёные считали, что при делении геном теряет свою характерную трёхмерную внутреннюю структуру.
Однако новое исследование Массачусетского технологического института (MIT) показывает, что на самом деле эта картина не совсем точна. Используя технику 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.
«Это исследование действительно помогает прояснить, как мы должны думать о митозе. В прошлом считалось, что митоз — это чистый лист, без транскрипции и без структуры, связанной с активностью генов. 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».
Новые открытия
Исследователи также обнаружили, что эти регуляторные петли становятся сильнее, когда хромосомы становятся более компактными при подготовке к делению клеток. Это уплотнение сближает генетические регуляторные элементы и способствует их сцеплению. 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 включением и выключением генов, что десятилетиями было сложной задачей в этой области», — говорит Вираат Гоэль, доктор философии 2025 года, ведущий автор исследования.
Техника Region-Capture Micro-C (RC-MC)
За последние 20 лет учёные обнаружили, что внутри клеточного ядра ДНК организует себя в трёхмерные петли. В то время как 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 уплотнения хромосом.
Большая часть картирования этих трёхмерных структур была выполнена с помощью техники, называемой Hi-C, первоначально разработанной группой, в которую входили исследователи MIT под руководством Джоба Деккера в Медицинской школе Университета Массачусетса Чан. Однако эта техника не имеет достаточно высокого разрешения, чтобы выявить все специфические взаимодействия между генами и регуляторными элементами, такими как энхансеры.
В 2023 году Хансен и другие разработали новую технику, которая позволяет им анализировать трёхмерные структуры генома с разрешением в 100–1000 раз выше, чем это было возможно ранее. Эта техника, известная как Region-Capture Micro-C (RC-MC), использует другой фермент, который разрезает геном на небольшие 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 высокосвязанные петли, которые образуются, когда энхансеры и промоторы, расположенные рядом друг с другом, слипаются.
Исследования показали, что эти петли формируются 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 в процессе деления.
«Во время митоза считалось, что почти вся транскрипция генов прекращается. И до нашей статьи считалось также, что вся трёхмерная структура, связанная с регуляцией генов, теряется и заменяется уплотнением. Это полный сброс настроек в каждом клеточном цикле», — говорит Хансен.
Однако, к их удивлению, исследователи обнаружили, что микрокомпартменты всё ещё можно увидеть во время митоза, и на самом деле они становятся более заметными по мере прохождения клеткой процесса деления.
Результаты исследования
Исследователи также подтвердили, что более крупные структуры, такие как A/B-компартменты и топологически ассоциирующиеся домены (TADs), действительно 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 Эффи Апостолу, доцент кафедры молекулярной биологии в медицине в Weill Cornell Medicine, которая не участвовала в исследовании.
Всплеск транскрипции
Результаты могут объяснить всплеск транскрипции генов, который обычно происходит ближе к концу митоза, говорят исследователи. С 1960-х годов считалось, что транскрипция полностью прекращается во время митоза, но в 2016 и 2017 годах несколько исследований показали, что клетки претерпевают кратковременный всплеск 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 вблизи генов, активность которых резко возрастает во время клеточного деления. Они также обнаружили, что эти петли, по-видимому, формируются в результате уплотнения генома, происходящего во время митоза. Это уплотнение сближает энхансеры и промоторы, позволяя им слипаться и образовывать микрокомпартменты.
После формирования петли, составляющие микрокомпартменты, могут несколько активировать транскрипцию генов, что затем выключается клеткой. Когда клетка заканчивает деление, входя в состояние, известное как G1, многие из этих небольших петель становятся слабее или исчезают.
«Кажется, что этот всплеск транскрипции в митозе — это нежелательная случайность, возникающая из-за создания уникально 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 уплотнение хромосом также могут влиять размер и форма клетки, исследователи изучают, как вариации этих характеристик влияют на структуру генома и, в свою очередь, на регуляцию генов.
Исследование было частично профинансировано Национальными институтами здравоохранения, Национальной стипендией CAREER от Национального научного фонда, Обсерваторией регуляции генов Broad Institute, стипендией Pew-Steward Scholar Award for Cancer Research, Фондом Матерса, MIT Westaway Fund, проектом Bridge Koch Institute и Dana-Farber/Harvard Cancer Center и грантом поддержки Koch Institute (core) от Национального института рака.
Статья: «Динамика формирования микрокомпартментов на переходе от митоза к G1»