Фундаментальная организация ДНК в активных и неактивных компартментах возникает сразу после оплодотворения яйцеклетки, еще до активации генов. Это было обнаружено исследователями из Института Хубрехта и Центра Гельмгольца в Мюнхене и позволит лучше понять механизмы, лежащие в основе развития одного оплодотворенного ооцита в полноценный организм, состоящий из множества различных типов клеток. Результаты были опубликованы в научном журнале Nature 22 мая.
От оплодотворенной яйцеклетки до полноценного организма
Оплодотворенная яйцеклетка, зигота, в конечном итоге развивается в целый организм, состоящий из триллионов клеток с широким разнообразием функций. Несмотря на эти различные функции, ДНК во всех этих клетках одинакова. Идентичность клеток определяется наборами генов, которые «включаются» и «выключаются». Но как все эти клетки организуют, какие гены «включаются» и «выключаются»?
Организация ДНК в ядре
ДНК не просто бессистемно откладывается в ядре клетки, но вместо этого пространственно организована в активных и неактивных компартментах. Компартменты, которые не активны, привязаны к краю ядра круглой формы. Этот край состоит из тонкого слоя, который называется пластинкой, и поэтому эти участки ДНК называются доменами, ассоциированными с пластинкой, или LAD. «ДНК, которая разделена на LAD и inter-LAD, можно сравнить с очень длинной гирляндой, которая не запутана на полу гостиной, а вместо этого прикреплена к потолку в точках крепления», - говорит Джоп Кинд, группа руководитель Института Хубрехта.«Это приводит к пространственно организованному разделению хромосом, которое делает непривязанные части (внутри LAD) более доступными для активации по сравнению с частями, которые привязаны к потолку (LAD)». В клетках с разными функциями разные части ДНК связаны с ламиной, хотя есть определенные LAD, которые присутствуют во всех типах клеток.
Новый метод
Разные типы клеток, таким образом, различаются наборами генов, которые «включаются» и «выключаются», и тем, какие части ДНК привязаны к ламине. До сих пор было неясно, какая из этих характеристик возникает первой в клетке. Поэтому исследователи разработали новый метод, с помощью которого они могли анализировать организацию ДНК в LAD и интер-LAD на очень ранних этапах развития эмбриона. Они делали это в разные моменты времени, от ранней зиготы, еще до активации генов в эмбрионе, до момента, когда эмбрион состоит из восьми клеток.
Какая характеристика формируется первой?
Исследователи обнаружили, что ДНК в зиготе уже организована в LAD и интер-LAD до того, как гены активируются в эмбрионе. Таким образом, LAD формируются до того, как начинает играть роль активность генов. Кроме того, исследователи обнаружили, что активность генов в процессе развития эмбриона меняется в соответствии с изменениями в структуре LAD. Таким образом, кажется, что организация ДНК в LAD и интер-LAD является очень ранним событием в процессе, который в конечном итоге приводит к идентичности клетки.
Примитивные ЛАДы
LAD, которые были обнаружены в ранней зиготе, оказались очень близкими к LAD, присутствующим во всех типах клеток. Кроме того, эти LAD соответствуют LAD в так называемых «плюрипотентных стволовых клетках», стволовых клетках, которые все еще могут развиваться во все типы клеток эмбриона. «Поэтому LAD в зиготе кажутся «примитивными» LAD, - говорит Кинд, - своего рода базовой подвесной системой в клеточном ядре, на которую можно опираться, когда клетка специализируется."
Будущее
Недавно разработанный метод и его первые результаты показывают, что этот подход может быть использован для дальнейшего изучения механизмов, участвующих в формировании целого организма из одного оплодотворенного ооцита. В будущем это приведет к лучшему пониманию нормального развития, но также даст больше информации о том, что может пойти не так во время развития эмбриона.