Российские ученые рассмотрели ядро оплодотворенной яйцеклетки

Сложность организации многоклеточных организмов определяется высоким уровнем разнообразия их клеток, которое проявляется в рамках дифференцировки на ранних стадиях эмбрионального развития. Фундаментом для развития организма выступает зигота — клетка, образующаяся в результате оплодотворения яйцеклетки. При этом, в отличие от ооцитов и сперматозоидов, зигота как продукт их слияния не является дифференцированной и обладает тотипотентностью — способностью давать начало клеткам любого типа. Изучение тотипотентности важно для разработки методов, которые позволяют искусственно возвращать клетки в недифференцированное состояние, например для трансплантации.

Известно, что дедифференцировка клетки сопровождается сменой эпигенетического статуса ДНК: причем, помимо химических модификаций, в этом случае изменяется и пространственная организация молекулы в ядре. От структуры генома часто зависит работа отдельных генов, однако до сих пор понимание того, как организован геном в половых клетках, остается неполным из-за малого количества ДНК (одиночный набор хромосом) в их ядрах и методологических ограничений. Сейчас определение трехмерной структуры хроматина в клетках проводится с помощью различных техник микроскопии и метода Hi-C — он заключается в обработке клеток формальдегидом с последующим разрезанием и сшиванием ДНК для выделения ее фрагментов, расположенных рядом.

Тем не менее, стандартный Hi-C рассчитан на большое количество генетического материала, позволяя отсеивать ДНК, которая не прошла обработку. Тогда как при работе с незначительным объемом образцов метод приводит только к потерям. В новом исследовании специалисты из Института биологии гена Российской академии наук (РАН), Массачусетского технологического института и других учреждений модифицировали протокол Hi-C таким образом, чтобы исключить из него стадии, приводящие к потере материала, а также повысить его чувствительность. С помощью новой техники, получившей название single-nucleus Hi-C (Hi-C для одного ядра) авторам, в частности, удалось выяснить, что в процессе созревания хроматин в яйцеклетке становится менее активным и более компактным.

Ключевой целью работы было установить, что происходит с хроматином при дедифференцировке после оплодотворения. Анализ показал, что в «материнском» и «отцовском» ядрах можно выделить структуры первичных уровней организации: топологически ассоциированные домены и хроматиновые петли. При этом структуры более высокого порядка (A-B компартменты неактивного и активного хроматина) слабо детектировались в «отцовском» и не детектировались в «материнском» ядре. Таким образом, ученые обнаружили, что ядро зиготы находится в состоянии интерфазы (неделимое) без признаков пространственной организации хроматина — это свойство является уникальным среди клеток млекопитающих. Предполагается, что компартментализация в половых клетках происходит по-разному: в «отцовских» компартменты формируются раньше или наследуются, в «материнских» — образуются заново.

Ранее международная группа исследователей разработала новую технику микроскопии, с помощью которой показала, что «негенетическая» митотических хромосом может составлять до половины их объема. Это противоречит существующим моделям организации хромосом, согласно которым почти весь их объем занимает хроматин.