В Сколтехе проанализировали способы упаковки ДНК — Naked Science
12 минут
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.
Сколтех
159 статей
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.
12 часов назад
9 минут
Мария Азарова

Существует распространенное мнение, что женщины, скрывая овуляцию, получили возможность удерживать мужчин рядом с собой. Однако авторы нового исследования заявляют о преимуществах, которые женщины, напротив, таким образом могли возыметь во взаимоотношениях с представительницами своего же пола.

11 часов назад
5 минут
Василий Парфенов

Строительная компания Илона Маска The Boring Company завершила создание транспортной петли под Конференц-центром Лас-Вегаса. Как только введенные для ограничения распространения Covid-19 меры будут ослаблены, ее торжественно откроют. И, по словам эксцентричного миллиардера, мероприятие пройдет в стилистике постапокалиптической серии игр Fallout.

6 часов назад
4 минуты
Мария Кривоченко

Ученые выяснили, что, независимо от врожденных способностей к восприятию звука, мозг музыкантов имеет более сильные структурные и функциональные связи, чем тех, кто не играет на музыкальных инструментах.

Позавчера, 19:05
4 минуты
Мария Азарова

Пациент — уроженец Исландии Феликс Гретарссон, лишившийся верхних конечностей более 23 лет назад из-за несчастного случая на работе — уже идет на поправку.

22 января
52 минуты
Александр Березин

Решение Совета по космосу РАН повременить с созданием сверхтяжелой ракеты для полетов на Луну звучит странно. Куда откладывать лунную ракету, когда в США средство полета туда отправится в космос уже в 2022 году? Если присмотреться к ситуации внимательно, все еще хуже. Starship — не просто ракета для полетов к Луне и Марсу, а технологическое решение, которое навсегда перевернет военно-политический баланс на Земле. Попробуем разобраться, откуда у «Роскосмоса» такое нежелание посылать людей в дальний космос и как прорывной проект Илона Маска может оказаться дорогой к настоящей Звезде Смерти.

12 часов назад
9 минут
Мария Азарова

Существует распространенное мнение, что женщины, скрывая овуляцию, получили возможность удерживать мужчин рядом с собой. Однако авторы нового исследования заявляют о преимуществах, которые женщины, напротив, таким образом могли возыметь во взаимоотношениях с представительницами своего же пола.

4 января
2 минуты
Илья Ведмеденко

В России приступили к летным испытаниям нового Ту-214. По имеющимся данным, речь идет о третьем и заключительном экземпляре Ту-214ПУ, изготовленном по контракту от 2017 года.

6 января
42 минуты
Александр Березин

Попытки нашей страны создать замену сверхмассовому биплану советской эпохи терпят неудачи вот уже тридцать лет. Причина проста: кризис легкомоторной авиации в целом. Когда-то самая передовая часть авиастроения сегодня застряла на решениях большой древности — и без резкого изменения всей концепции "летающего такси" так и не увидит заметных результатов.

4 января
7 минут
Василий Парфенов

Наступление Мирового океана на сушу, как правило, связывают с глобальным потеплением. Однако испанские геологи описали еще одну проблему, которая только усугубляет ситуацию. Они подсчитали, что из-за проседания почв территория, на которой проживает 19% населения Земли, окажется ниже уровня моря уже к 2040 году.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: