ДНК содержит инструкции для жизни, закодированные в генах. Во всех клетках ДНК организована в виде очень длинных отрезков, известных как хромосомы. В клетках животных и растений они обоюдоострые, как отрезки веревки или шнурки, но у бактерий они круглые. Будь то нитевидные или кольцевые, эти длинные хромосомы должны быть организованы и упакованы внутри клетки, чтобы гены могли включаться и выключаться, когда они необходимы.
Работая вместе с коллегами в Испании, Японии и Австралии, исследователи во главе с Луисом Серрано, профессором-исследователем ICREA и руководителем лаборатории дизайна биологических систем в Центре геномной регуляции, сосредоточили свое внимание на организации ДНК внутри организм с чрезвычайно малым геномом - возбудитель пневмонии Mycoplasma pneumoniae. Его кольцевая хромосома в пять раз меньше, чем у более крупных бактерий, таких как кишечная палочка E. coli.
Используя технику под названием Hi-C, которая выявляет взаимодействия между различными фрагментами ДНК, исследователи создали трехмерную «карту» хромосомы микоплазмы. Затем они использовали микроскопию сверхвысокого разрешения, чтобы доказать, что эта компьютерная карта соответствует реальной организации хромосом внутри бактериальных клеток.
Примечательно, что команда CRG, которая опиралась на опыт работы с микоплазмами из лаборатории Серрано и сотрудничество профессора-исследователя ICREA Марка Марти-Ренома из CNAG-CRG, обнаружила, что кольцевая хромосома микоплазм последовательно организована точно так же во всех клетках с областью, называемой источником (где начинается копирование ДНК), на одном конце структуры и средней точкой хромосомы, расположенной на противоположном конце. Это похоже на то, что наблюдается у некоторых других более крупных видов бактерий.
Ученые также использовали технику Hi-C для изучения более подробных моделей организации генома микоплазмы. В последние годы ученые всего мира исследовали организацию хромосом внутри клеток различных видов, от крупных бактерий до человека. Секвенирование нового поколения позволило ученым «прочитать» последовательность ДНК любого генома, но это не показывает, как генетическая информация управляется и организуется в переполненной и суетливой биологической среде внутри клетки. Теперь новые инструменты выявили сложные организационные структуры в геномах более крупных организмов, при этом определенные области хромосом сгруппированы вместе, образуя домены, содержащие гены, которые включаются или выключаются одновременно.
Однако считалось, что эти домены не будут обнаружены в микоплазме, потому что ее геном настолько мал, что она производит только около 20 различных ДНК-связывающих белков, ответственных за организацию хромосомы, по сравнению с сотнями, производимыми другими бактериями. виды.
Интересно, что команда CRG обнаружила, что даже крошечная хромосома микоплазмы организована в отдельные структурные домены, каждый из которых содержит гены, которые также включаются или выключаются скоординированным образом.
Мари Труссар, ведущий автор статьи, сказала: «Изучение бактерий с таким маленьким геномом было большой технической задачей, особенно потому, что мы использовали микроскопию сверхвысокого разрешения, и нам потребовалось пять лет, чтобы завершить исследование. Мы подозревали, что геном микоплазмы может иметь схожую общую организацию с другими бактериями, но мы были совершенно удивлены, обнаружив, что он также организован в домены, которые можно рассматривать как регуляторные единицы организации хроматина, и что мы определили ранее неизвестный уровень регуляции генов. Это исследование показывает, что организацию и контроль генов нельзя понять, просто глядя на линейную последовательность ДНК в геноме. Действительно, чтобы получить полную картину регуляции генов, нам нужно взглянуть на три -мерная организация хроматина, которая также координирует активность генов."
Открытие предполагает, что этот уровень организации и генетического контроля является общим для всех живых клеток, от самых больших до самых маленьких, и может быть достигнут с помощью небольшого количества ДНК-связывающих белков и структурных свойств клеток. Сама ДНК.
Команда CRG долгое время работала над подробным количественным анализом Mycoplasma pneumoniae на всех уровнях: от генетики до метаболизма, включая паттерны генной активности и белковый состав и многое другое. Они планируют использовать эти результаты для исследований, направленных на контроль и управление активностью генов в генетически модифицированных бактериях, которые имеют множество важных медицинских и промышленных применений.