Ученые определили первые трехмерные структуры неповрежденных геномов млекопитающих из отдельных клеток, показав, как ДНК всех хромосом причудливо складывается, чтобы соответствовать друг другу внутри клеточных ядер.
Исследователи из Кембриджского университета и Лаборатории молекулярной биологии MRC использовали комбинацию изображений и до 100 000 измерений того, где различные части ДНК близки друг к другу, чтобы изучить геном эмбриона мыши. стволовая клетка. Стволовые клетки - это «главные клетки», которые могут развиваться - или «дифференцировать» - практически в любой тип клеток в организме.
Большинство людей знакомы с хорошо известной Х-образной формой хромосом, но на самом деле хромосомы принимают эту форму только при делении клетки. Используя свой новый подход, исследователи теперь смогли определить структуры активных хромосом внутри клетки и то, как они взаимодействуют друг с другом, образуя неповрежденный геном. Это важно, потому что знание того, как ДНК укладывается внутри клетки, позволяет ученым изучать, как определенные гены и участки ДНК, которые их контролируют, взаимодействуют друг с другом. Структура генома определяет, когда и насколько сильно гены - определенные участки ДНК - включаются или выключаются. Это играет решающую роль в развитии организмов, а также, если что-то идет не так, в развитии болезней.
Исследователи проиллюстрировали структуру в сопроводительных видеороликах, которые показывают неповрежденный геном одной конкретной эмбриональной стволовой клетки мыши. В фильме выше каждая из 20 хромосом клетки окрашена по-разному.
На втором видео области хромосом, где активны гены, окрашены в синий цвет, а области, которые взаимодействуют с ядерной пластинкой (плотной фибриллярной сетью внутри ядра), окрашены в желтый цвет. Структура показывает, что геном устроен таким образом, что наиболее активные генетические области находятся внутри и отделены в пространстве от менее активных областей, связанных с ядерной пластинкой. Постоянная сегрегация этих областей, одинаковым образом в каждой клетке, предполагает, что эти процессы могут управлять укладкой хромосом и генома и, таким образом, регулировать важные клеточные процессы, такие как репликация ДНК и деление клеток..
Профессор Эрнест Лауэ, чья группа на кафедре биохимии Кембриджа разработала этот подход, прокомментировал: «Знание того, где в данный момент находятся все гены и контрольные элементы, поможет нам понять молекулярные механизмы, которые контролируют и поддерживают их экспрессию.
В будущем мы сможем изучить, как это меняется по мере дифференциации стволовых клеток и как решения принимаются в отдельных развивающихся стволовых клетках. До сих пор мы могли наблюдать только группы или «популяции» этих клеток и поэтому не могли видеть индивидуальные различия, по крайней мере, снаружи. В настоящее время эти механизмы плохо изучены, и их понимание может стать ключом к реализации потенциала стволовых клеток в медицине».
Исследование, проведенное учеными факультетов биохимии, химии и Института стволовых клеток Wellcome-MRC Кембриджского университета совместно с коллегами из Лаборатории молекулярной биологии MRC, опубликовано сегодня в журнале Nature.
Д-р Том Коллинз из отдела генетики и молекулярных наук Wellcome сказал: «Визуализация генома в 3D с таким беспрецедентным уровнем детализации - это захватывающий шаг вперед в исследованиях, на который ушло много лет. раскроет некоторые основополагающие принципы, управляющие организацией наших геномов, например, как взаимодействуют хромосомы или как структура может влиять на то, включаются или выключаются гены. Если мы сможем применить этот метод к клеткам с аномальным геномом, таким как раковые клетки, мы сможем лучше понять, что именно идет не так, как причина болезни, и как мы могли бы разработать решения для исправления этого».
Видео 1:
Видео 2: