Геном человека состоит из 46 хромосом, каждая из которых имеет длину около 100-200 миллионов пар оснований, причем пары оснований являются строительными блоками двойной спирали ДНК. Даже во время интерфазы, периода между фазами клеточного деления, хромосомы все еще плотно упакованы внутри клеточного ядра. Если увеличить масштаб каждой хромосомы, становится очевидной регулярная структурная единица, называемая нуклеосомой, которая соответствует длинной нити ДНК длиной 146 пар оснований, обернутой вокруг восьми молекул гистонового белка. До недавнего времени не было известно никаких других регулярных структур, кроме нуклеосом.
Благодаря новой технологии, основанной на геномике, называемой Hi-C (высокопроизводительный захват конформации хромосом), мы теперь знаем, что существуют регулярные структурные единицы в масштабе мегабазы, относящиеся к миллионам пар оснований. В настоящее время общепризнано, что хромосомы млекопитающих состоят из глобулярных единиц размером в мегапарообразные основания, называемых топологически ассоциированными доменами (TAD), которые разделены границами, предположительно в виде бусинок на нитке. Кроме того, несколько TAD собираются, чтобы сформировать так называемые субъядерные компартменты A и B. TAD, содержащие много активных генов, образуют компартменты A, в то время как TAD с небольшим количеством активных генов или без них образуют компартменты B.
Принято считать, что TAD являются стабильными единицами хромосом и что их граничные положения не меняются между типами клеток. Напротив, организация компартментов A/B различается между типами клеток, что означает, что границы между ними меняются во время дифференцировки. Однако никто никогда не наблюдал изменений в компартментах А/В по мере их возникновения.
Ученые из Центра исследований динамики биосистем RIKEN подробно наблюдали за изменениями компартмента A/B во время дифференцировки эмбриональных стволовых клеток мыши (мЭСК). Они обнаружили множество геномных областей, которые переключали компартменты либо с А на В, либо наоборот, что, что интересно, хорошо коррелировало с геномными областями, которые меняли время репликации (временной порядок репликации геномной ДНК) с раннего на поздний или наоборот. соответственно. Изменения компартмента от А к В сопровождались перемещениями из внутренней части ядра к периферии и репрессией генов, в то время как изменения компартмента от В к А сопровождались перемещениями от периферии ядра к внутренней части и активацией генов. Эти результаты убедительно свидетельствуют о том, что изменения компартментов A/B представляют собой физические перемещения частей хромосом в трехмерном ядерном пространстве, сопровождающиеся изменениями в экспрессии генов и времени репликации.
Что касается временной взаимосвязи между физическими перемещениями хромосом и изменениями в экспрессии генов и сроками репликации, исследовательская группа обнаружила, что геномные области, которые переключались из компартмента B в компартмент A, явно делали это за один-два дня до активации гена. и что изменения времени репликации были от поздних к ранним. Это подняло интригующую возможность того, что изменения компартмента могут быть предпосылкой для активации генов и изменения времени репликации.
Команда продолжила охарактеризовывать особенности геномных областей, которые изменили компартменты A/B. Было обнаружено, что компартменты изменяются в основном за счет смещения границ компартментов A/B, в то время как появление новых компартментов - например, появление компартмента A внутри участка компартмента B или наоборот - было редкостью. Поскольку границы компартментов соответствовали подмножеству границ TAD, они посмотрели, сколько TAD изменили компартменты, и обнаружили, что большинство изменений коснулось отдельных TAD..
Важно отметить, что это переключение компартментов на уровне одного TAD было подтверждено в отдельных клетках с помощью метода, называемого одноклеточной Repli-seq, который был недавно разработан исследовательской группой для анализа регуляции репликации ДНК по всему геному в одиночные клетки (обратите внимание, что время репликации очень хорошо коррелирует с компартментами A/B). Группа также обнаружила, что профили компартментов A/B менялись постепенно, но равномерно в популяции дифференцирующихся клеток, при этом клетки временно напоминали состояние стволовых клеток, полученных из эпибласта (EpiSC), продвинутую форму стволовых клеток по сравнению с ESC..
В совокупности открытие группы предполагает, что компартменты A/B изменяются в основном за счет перемещения одиночных TAD, обращенных к интерфейсу компартмента A/B, в противоположный компартмент. «Возможно, - говорит Ичиро Хиратани, лидер группы, - что накопление этих событий переключения компартментов может отражать или представлять изменения в состояниях дифференцировки, например, от ESC к EpiSC».
Таким образом, это исследование, опубликованное в журнале Nature Genetics, объясняет, как хромосомы претерпевают структурные изменения во время дифференцировки клеток. По словам Хиратани, «наше исследование было первым, которое ясно продемонстрировало, что изменения в конформации хромосом предшествуют изменениям в транзакциях на основе ДНК, таких как экспрессия генов и время репликации ДНК. Интересно, что изменения конформации хромосом регулируются на уровне одиночных TAD. Мы стремимся исследовать основу такой регуляции хромосом на уровне одного TAD и рассмотреть возможность предсказания транзакций ДНК на основе предшествующих изменений в структурах хромосом».