ДНК в клетке вовсе не болтается сама по себе – она связана с огромным количеством белковых молекул, которые помогают компактизовать, упаковать ДНК так, чтобы она поместилась в клеточное ядро; без помощи белков она бы просто в него не влезла.
Но это не просто упаковка, это еще и способ управлять активностью генов. Некоторые участки ДНК можно так плотно связать с белками, что с ними не смогут работать молекулярные машины, считывающие генетическую информацию – такие заархивированные гены буду неактивны. Наоборот, другие фрагменты хромосом будут открыты для работы, и на них будет синтезироваться матричная РНК, которую потом используют машины, собирающие белковые молекулы.
И может быть другой вариант регуляции, когда очень далёкие куски в ДНК вдруг оказываются сближенными в пространстве. Например, у нас есть ген и есть последовательность-активатор, и между ними – тысячи и тысячи нуклеотидов. Это можно сравнить с тем, как если бы выключатель для лампочки был не на стене в той же комнате, а в доме на другом конце города. Но благодаря тому, что с помощью белков можно менять пространственную упаковку ДНК, то последовательность-«включатель» вполне может оказаться рядом с тем геном, чью активность она регулирует.
И не будет преувеличением сказать, что судьба клетки зависит не только от того, что записано в ее ДНК, но и как эта ДНК упакована. (Разумеется, упаковка, как и любой другой вид генетической регуляции, непосредственно зависит от того, что записано в генах, но как именно одно взаимодействует с другим, мы сейчас обсуждать не будем.) В последнее время биологи создают все более и более совершенные методы, позволяющие строить трехмерные «портреты» генома.
Мы уже как-то упоминали про один из таких методов под названием Hi-C. Суть его в следующем: нити упакованной в ядре ДНК контактируют друг с другом во множестве точек, и, если зафиксировать такие контакты, можно получить своеобразный трёхмерный «портрет» спутанных нуклеиновых кислот.
В Hi-C контакты фиксируют формальдегидом, затем ДНК разрезают специальными ферментами – в результате получается много ветвистых фрагментов (ведь контакты, которые были в ядре клетки, так и остаются зафиксированными). Затем концы фрагментов сшиваются, и у нас в руках оказываются маленькие нуклеиновые кольца. На них вешают специальную молекулярную метку, за которую их можно «вытащить» из реакционной смеси, после чего секвенируют – прочитывают последовательность нуклеотидов.
В современных версиях метода кольца сшивают в ядре, и пространственное расположение нитей ДНК довольно долго сохраняется в натуральном виде (даже после обработки их формальдегидом и разрезающими ферментами). Разумеется, после секвенирования полученные последовательности обрабатывают с помощью алгоритма, позволяющего вычислять те участки ДНК, которые действительно расположены близко друг к другу.
В стандартном методе Hi-C для проведения одного эксперимента, как правило, требуется несколько сотен тысяч и даже миллионов клеток. Но в последнее время биология быстро разворачивается в сторону таких технологий, которые позволяли бы работать с одной-единственной клеткой, с одной или несколькими молекулами – поскольку многие важные молекулярно-клеточные процессы становятся видны, если они не «размазаны» по огромному количеству подопытного материала.
Исследователям из Московского государственного университета вместе с коллегами из Массачусетского технологического института, Гарварда и австрийского Института молекулярной биотехнологии удалось усовершенствовать Hi-C так, что с его помощью можно анализировать пространственную структуру генома в одной-единственной клетке.
Усовершенствованный метод применили к оплодотворенным яйцеклеткам мыши. Как известно, при оплодотворении сперматозоид сливается с яйцом, их геномы объединяются друг с другом и дальше начинается деление – формируется зародыш, состоящий из стволовых клеток. Но объединение геномов происходит не сразу, у человека, например, после оплодотворения женское и мужское ядра (которые в данном случае называются пронуклеусами) существуют отдельно друг от друга в течение 30 часов.
Исследователей интересовало, как выглядит в смысле пространственной структуры мужской и женский геномы в оплодотворенной яйцеклетке, которая готовится к будущим делениям. «Одноклеточная» модификация метода как раз и позволила это увидеть – и оказалось, что ядра принципиально различаются по тому, как в них уложен геном.
В статье в Nature говорится, что в мужском пронуклеусе, сформировавшемся из ядра сперматозоида, активные участки генома в пространстве отделены от неактивных, а в пронуклеусе с материнским геномом такого разделения не наблюдается. Результат оказался неожиданным, так как во всех предыдущих исследованиях в клетках млекопитающих отделение активных и неактивных участков генома всегда имело место, и материнское ядро стало в этом смысле исключением.
И все же, повторим, главное тут не столько то, что мы узнали нечто новое о состоянии ДНК в только что оплодотворенной яйцеклетке, сколько то, что теперь у биологов есть метод, позволяющий следить за структурой генома в одной-единственной клетке.
Если взять ту же оплодотворенную яйцеклетку, то ведь именно из нее получаются эмбриональные стволовые клетки и вообще весь организм в целом, так что с помощью нового Hi-C, возможно, удастся еще глубже проникнуть в тайны эмбрионального развития, разгадать еще не разгаданные секреты стволовых клеток, не говоря уже о том, что тем же методом можно анализировать и геном раковых клеток.
Автор: Кирилл Стасевич