Глубоко в каждой из ваших клеток скрыто то, что кажется магическим трюком: шесть футов ДНК упакованы в крошечное пространство, в 50 раз меньше ширины человеческого волоса. Подобно длинной тонкой нити генетических спагетти, эта схема ДНК всего вашего тела складывается, скручивается и уплотняется, чтобы поместиться в ядро каждой клетки.
Теперь исследователи Калифорнийского технологического института показали, как клетки разумно организуют, казалось бы, огромный геном, чтобы они могли легко находить и получать доступ к важным генам. Понимание тонкой трехмерной организации генома имеет решающее значение, особенно потому, что изменения в структуре ДНК связаны с некоторыми заболеваниями, такими как рак и раннее старение. Картирование и выявление изменений в ядерной структуре может помочь в поиске решений этих болезней.
Работа была выполнена в лаборатории Митчелла Гуттмана, доцента биологии и исследователя Института медицинских исследований наследия. Статья с описанием исследования опубликована в онлайн-выпуске журнала Cell от 7 июня.
Хотя подавляющее большинство клеток в каждом человеческом теле содержат идентичные геномы, разные типы клеток могут выполнять разные функции, поскольку гены могут экспрессироваться на разных уровнях - другими словами, их можно включать или выключать. Например, когда стволовая клетка развивается в нейрон, в ядре происходит всплеск активности, вызывающий повышение и понижение уровня экспрессии генов. Эти уровни были бы другими, например, если бы стволовая клетка превращалась в мышечную клетку или если бы клетка принимала решение о самоуничтожении.
Помимо генома, ядро также содержит структуры, называемые ядерными телами, которые подобны миниатюрным фабрикам в ядре, содержащим высокую концентрацию клеточных механизмов, работающих для выполнения сходных задач, таких как включение определенных наборов гены или модифицирующие молекулы РНК для производства белков в клетке. Этот клеточный механизм должен быть в состоянии эффективно искать в шести футах ДНК - примерно 20 000 генов у млекопитающих - чтобы точно находить и контролировать свои цели. Это стало возможным благодаря тому, что ДНК организована в виде трехмерных структур, которые делают определенные гены более или менее доступными.
В новом исследовании Гуттман и его команда описывают метод трехмерной карты того, как ДНК организована в пространстве ядра и как участки хромосом взаимодействуют друг с другом и с ядерными телами. Этот метод, получивший название SPRITE (Распознавание взаимодействий с разделением пула по расширению тега), позволяет исследователям исследовать кластеры (или «комплексы») молекул внутри ядра, чтобы увидеть, какие молекулы взаимодействуют друг с другом и где они расположены.
В этом методе каждому комплексу в ядре присваивается отдельный молекулярный штрих-код, при этом все молекулы в одном комплексе получают один и тот же штрих-код. Затем комплексы можно вскрыть и проанализировать молекулы. Таким образом, ученые могут определить, взаимодействуют ли две или более молекулы, в зависимости от того, имеют ли они один и тот же штрих-код.
Во главе с аспиранткой Софией Кинодоз команда использовала SPRITE, чтобы обнаружить, что гены в разных хромосомах (большие складчатые структуры ДНК) группируются вместе вокруг определенных ядерных телец. В частности, неактивные гены - те, которые выключены - в разных хромосомах группируются вокруг определенного ядерного тела, называемого ядрышком, который содержит репрессивные белки в ДНК, которые удерживают гены выключенными. И наоборот, активные гены, сгруппированные вокруг ядерных тел другого типа, называемых ядерными спеклами, содержат молекулы, которые помогают включать гены и превращать их в белки.
«С помощью SPRITE мы смогли увидеть тысячи молекул - ДНК и РНК - объединяющихся в различных «узлах» вокруг ядра в отдельных клетках», - говорит Кинодоз, первый автор исследования. «Ранее исследователи предполагали, что каждая хромосома существует сама по себе, занимая свою собственную «территорию» в ядре. Но теперь мы видим, что несколько генов на разных хромосомах группируются вокруг этих тел клеточных механизмов. ' может помочь клетке сохранить ДНК, которая полностью включена или выключена, аккуратно организованной в разных частях ядра, чтобы позволить клеточным механизмам легко получить доступ к определенным генам в ядре».