Используя недавно разработанный метод, исследователи из Института молекулярной биотехнологии Австрийской академии наук (IMBA) смогли пролить свет на сложность реорганизации генома, происходящую в первые часы после оплодотворения у одноклеточных зародыш млекопитающего. Их выводы недавно были опубликованы в журнале Nature. Группа исследователей (с трех континентов) обнаружила, что геномы яйцеклетки и сперматозоида, сосуществующие в одноклеточном эмбрионе или зиготе, имеют уникальную структуру по сравнению с другими интерфазными клетками. Понимание этого специализированного «основного состояния» хроматина может пролить свет на загадочный процесс эпигенетического перепрограммирования в тотипотентность, способность давать начало всем типам клеток.
Слияние яйцеклетки и сперматозоида, двух высокодифференцированных типов клеток, приводит к образованию одноклеточного эмбриона или зиготы. В течение первых часов после оплодотворения два отдельных генома подвергаются событиям перепрограммирования, которые предположительно функционируют для стирания памяти дифференцированного типа клеток и установления состояния тотипотентности. Механизмы, лежащие в основе тотипотентности, остаются плохо изученными, но они необходимы для создания нового организма из оплодотворенной яйцеклетки.
Крупный прогресс в области одноклеточной геномики
После оплодотворения материнский и отцовский геномы стирают часть эпигенетической памяти о ранее дифференцированных состояниях, чтобы облегчить начало новой жизни в качестве зиготы. В первом клеточном цикле после оплодотворения материнский геном, унаследованный от ооцита (яйцеклетки), и отцовский геном, полученный от сперматозоида, существуют в виде отдельных ядер в зиготе. Два генома отмечены различными эпигенетическими модификациями, приобретенными во время перепрограммирования. Неизвестно, различается ли также трехмерная структура хроматина материнского и отцовского геномов.
Международная группа под руководством Кикуэ Тачибана-Конвальски из IMBA в сотрудничестве с исследователями из Массачусетского технологического института (MIT) в Бостоне и Московского государственного университета им. Переход млекопитающих из ооцита в зиготу. С помощью секвенирования нового поколения, биоинформатического анализа и математического моделирования, выполненных Максимом Имакаевым в лаборатории Леонида Мирного, исследователи выявили специфические паттерны, возникающие при реорганизации генома в ооцитах и зиготах мыши.
Низкая доступность исходного материала привела к необходимости разработки нового одноядерного метода Hi-C (snHi-C), который впервые позволил анализировать архитектуру хроматина в ооцитах и одноклеточных эмбрионах.. С помощью этого метода в отдельных клетках были обнаружены особенности геномной организации, включая компартменты, топологически ассоциированные домены (ТАД) и петли хроматина, при усреднении по геному. «Наш метод позволил нам выявлять контакты хроматина в десять раз эффективнее, чем предыдущий метод. Благодаря этому мы смогли найти различия в фолдинге генома на уровне отдельных клеток: эти межклеточные вариации упускались из виду в обычных Hi- C из-за усреднения по миллионам клеток», - говорит Илья Флямер, бывший летний студент Венского биоцентра (VBC), а затем магистрант и один из первых авторов исследования.
Контрастное поведение материнского и отцовского хроматина
Кроме того, мы обнаружили уникальные различия в трехмерной организации хроматина зиготы по сравнению с другими интерфазными клетками. Что еще более интересно, так это то, что материнский и отцовский геномы зиготы, по-видимому, имеют различную организацию в пределах одной и той же клетки. клетка. Похоже, что архитектура хроматина реорганизуется после оплодотворения, и эта реорганизация происходит по-разному для материнского и отцовского геномов», - объяснила Джоанна Гасслер, аспирант IMBA и один из первых авторов исследования.
Старший автор и руководитель группы IMBA Кикуэ Татибана-Конвальски увлечена тайнами перехода млекопитающих от ооцита к зиготе и много лет изучает чудо жизни, в частности самые первые молекулярные шаги. Она также надеется, что полученные результаты помогут по-новому взглянуть на развивающуюся область тотипотентности. «Чтобы поместить силу зиготы в контекст: перепрограммирование до плюрипотентности с помощью факторов Яманаки занимает несколько дней с ограниченной эффективностью, в то время как перепрограммирование до тотипотентности происходит в зиготе в течение нескольких часов. Как это достигается, остается одним из ключевых неизвестных в биологии. изучая состояние хроматина зигот, мы стремимся получить представление об этом механизме, который также может найти применение в регенеративной медицине», - говорит Тачибана-Конвальски, подчеркивая свое волнение по поводу потенциальных применений ее любимой темы исследований.