12 января
Сколтех

В Сколтехе проанализировали способы упаковки ДНК

4.3

Исследователи из Сколтеха и их коллеги оптимизировали анализ данных для метода изучения 3D-структуры ДНК в отдельных клетках мухи-дрозофилы. Новый подход позволяет ученым с большей уверенностью заглянуть в клетку, чтобы изучить способы упаковки ДНК, и приблизиться к пониманию основных механизмов этого крайне важного процесса.

В Сколтехе изучили способы упаковки ДНК / ©Getty images

Статья опубликована в журнале Nature Communications. Почти двухметровая нить ДНК помещается в крошечное ядро человеческой клетки благодаря тому, что хроматин, комплекс ДНК и белков, сворачивает ее в компактные, но сложные структуры. Для изучения способов упаковки ДНК ученые во всем мире используют так называемые методы фиксации конформации хромосом (3C), и один из наиболее производительных из них — метод Hi-C. Он позволяет обнаружить контакты ДНК всего генома с помощью высокопроизводительного секвенирования.

В этом, однако, и заключается проблема: для работы Hi-C необходимы десятки микрограммов ДНК — то есть миллионы клеток с уникальной пространственной организацией хроматина. Эту информацию приходится усреднять, чтобы получить общую картину, которая не будет учитывать особенности упаковки ДНК в отдельных клетках.

Подобно тому, как «среднестатистического человека» на самом деле не существует, традиционный метод Hi-C не может показать, какие именно из множества взаимодействий участков ДНК происходят одновременно в одной и той же клетке. Кроме того, этот «коллективный портрет» вряд ли поможет понять, какие физические процессы приводят к формированию той или иной трехмерной структуры хроматина.

«Мы видим некоторые структуры, например, так называемые топологически ассоциированные домены (ТАДы), в усредненных картах контактов ДНК, но мы не знаем, действительно ли они существуют в отдельных клетках, или же это артефакты усреднения. Кроме того, мы знаем, что с точки зрения экспрессии генов большое разнообразие встречается даже в клетках одной и той же ткани — отсюда возникает естественный вопрос о том, насколько они разнообразны на структурном уровне», — говорит соавтор статьи Михаил Гельфанд, вице-президент Сколтеха по биомедицинским исследованиям.

Трехмерное сворачивание гаплоидной Х-хромосомы / ©www.nature.com

Чтобы разрешить эти проблемы и сделать эксперимент Hi-C более подходящим для отдельных клеток, исследователи нескольких институтов разработали метод, получивший название Hi-C одиночных клеток. Команда Сколтеха во главе с Гельфандом и доцентом Центра наук о жизни Сколтеха Екатериной Храмеевой поставила перед собой задачу оптимизировать обработку данных для Hi-C одиночных клеток и изучить фундаментальные свойства клеток дрозофилы.

Их коллеги из Института биологии гена РАН и Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова совместно с сотрудниками российско-французского Междисциплинарного научного центра Понселе оптимизировали метод, чтобы сделать его пригодным для экспериментов с клетками дрозофилы.

Команды начали со стандартных шагов метода Hi-C, при котором структура хроматина фиксируется химически, а ДНК разрезается и «пересобирается» так, чтобы фрагменты, которые в естественных условиях находились рядом, оказывались «сшитыми». Но затем вместо того, чтобы использовать сразу всю ДНК, ученые амплифицировали крошечное количество ДНК из каждой клетки с помощью полимеразы бактериофага phi29. Эта полимераза часто используется при амплификации ДНК, отчасти благодаря ее способности создавать большое количество ДНК даже по очень маленькому образцу с куда меньшим количеством ошибок, чем у других популярных полимераз.

Однако оказалось, что эта удобная ДНК-полимераза, несмотря на достаточно высокую точность копирования, все же может случайным образом «прыгать» между молекулами ДНК, создавая искусственные связи, которые алгоритм Hi-C не может отличить от настоящих взаимодействий. Поэтому исследователям пришлось придумать механизм отбраковки этих случайных «прыжков» полимеразы.

Они использовали свой новый метод на клетках дрозофилы, чтобы выяснить, имеют ли различные организмы общие фундаментальные принципы упаковки хроматина. Предыдущие исследования на клетках млекопитающих указывали на существование ТАДов только на контактных картах, получаемых популяционного Hi-C, но не в отдельных клетках. Однако изучение клеток дрозофилы показало, что эти домены есть и в каждой конкретной клетке.

Порядок и стохастичность в 3D-геноме дрозофилы / ©www.nature.com

Чтобы понять, какой биологический механизм отвечает за формирование этих устойчивых доменов, потребуются дополнительные исследования; пока ученые предложили две модели их возникновения. Одна из них предполагает, что хроматин у дрозофилы организован по механизму «липкости», то есть некоторые его участки с большей вероятностью соединяются друг с другом. Согласно другой, описывающей так называемый механизм экструзии петель, крупные белковые комплексы создают петли из нити ДНК и за счет этого упаковывают ДНК.

«Возможно, один из самых интересных вопросов заключается в том, одинаковы ли правила сворачивания хроматина у разных видов живых организмов. С помощью метода Hi-C одиночных клеток дрозофилы мы выяснили, что в геноме этого насекомого тоже присутствуют домены, похожие на домены в клетках млекопитающих. Однако эти структуры гораздо более упорядочены, чем у млекопитающих», — отмечает Александра Галицына, аспирантка Сколтеха и один из первых авторов статьи.

«Мы продолжим изучение архитектуры хроматина и механизмов формирования петель и ТАДов. В этой области еще много вопросов без ответов. Мы уже знаем, что эти механизмы у некоторых организмов могут различаться, но что представляет собой эволюция сворачивания хроматина в целом? Если мы хотим понять это на достаточном уровне детализации, нам нужно заполнить пробелы, изучая структуру хроматина у странных организмов, а не только у тех, что уже хорошо исследованы. Поэтому мы уже работаем с морскими губками, дрожжами и амебами», — говорит Екатерина Храмеева.

По ее словам, группа также занимается возможной связью изменений в организации хроматина с болезнями, развитием организма и старением. «Если предположить, что архитектура хроматина тесно связана с экспрессией генов, то, ответив на эти вопросы, мы сможем разобраться в регулировании развития человеческого организма, старения и заболеваний», — отмечает Храмеева.

В исследовании приняли участие специалисты Института биологии гена Российской академии наук, Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова, Национального центра научных исследований Франции, российско-французского Междисциплинарного научного центра Понселе и других организаций.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Сегодня, 05:30
Мария Азарова

Ученые из США представили альтернативный молекулярный механизм образования меланоцитарного невуса, который согласуется как с экспериментальными, так и с клиническими наблюдениями.

Вчера, 14:37
Николай Цыгикало

Запуск в космос всегда динамичен. Ревущий старт, огромный факел огня, затихающий гром в небе. Первая ступень отработала и отделилась, отработала следующая, эстафета ускорения закончилась достижением орбитальной скорости на нужной высоте. Пуск ракеты завершен, заняв всего восемь – десять минут. Но выведение на этом не заканчивается. В работу вступает особая, космическая ступень. Именно она поднимает орбиту на большую высоту, начинает межпланетное путешествие, и решает много других задач. О ее сложной работе и больших возможностях – в нашем материале.

5 часов назад
Василий Парфенов

Польские ученые-полярники засняли редкое событие — охоту полярного медведя не на морскую добычу, а наземную. Правда, молниеносная атака все равно произошла в воде. Подобное поведение северного хищника впервые удалось запечатлеть на видео.

25 ноября
НИУ ВШЭ

Мобильные ученые публикуются в индексируемых журналах в два раза чаще. К такому выводу пришли исследователи из НИУ ВШЭ.

26 ноября
Анастасия Михалева

За всю историю исследования в космосе побывали более 500 человек. В океан на глубину более 10 километров спускались всего трое. Мы до сих пор знаем о Мировом океане и его обитателях недопустимо мало.

25 ноября
Илья Ведмеденко

Российские инженеры спроектировали самолет для межконтинентальных полетов в стратосфере. Его можно назвать условным аналогом британского Skylon.

3 ноября
Ольга Иванова

Исследований на эту тему, как ни странно, мало, хотя предположений — великое множество. По мнению ученых из Венгрии, одна из причин такого поведения — высокая концентрация внимания на речи хозяина, а еще это означает, что собака слышит знакомое слово.

12 ноября
Мария Азарова

Кошки оказывались сбиты с толку, когда их человек, как им казалось, «телепортировался» в новое, неожиданное место. Однако они не реагировали таким же образом на чужих людей или других животных.

2 ноября
Мария Азарова

Авторы новой работы на примере Шотландии определили характеристики людей, умерших от Covid-19, хотя они были привиты, а также выявили основные предикторы смертности.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: