Международная группа ученых провела фундаментальное исследование пространственной организации генома в половых и соматических клетках птиц. Полученные данные изменили представление о структуре доменов хроматина в хромосомах типа ламповых щеток и открыли перспективы для дальнейших исследований. Результаты опубликованы в журнале Frontiers in Genetics. Исследование было поддержано грантом президента Российской Федерации (проект МК-1630.2017.4), грантом Российского научного фонда (проект 19-74-20075), а также партнерской программой между Йенским университетом имени Фридриха Шиллера и Санкт-Петербургским государственным университетом.
Архитектура генома является одной из наиболее актуальных областей исследований в современной молекулярной генетике. Исследователи хотят выяснить, как происходит компактизация молекул ДНК в ядрах клеток и, главное, как эта сложная и многоуровневая упаковка влияет на процессы «считывания» генетической информации. Как известно, хроматин, состоящий из ДНК, белков и РНК, упакован в ядрах клеток очень плотно — например, у человека два метра геномной ДНК сжимаются в пространстве ядра соматической клетки, величина которого достигает всего десяти микрометров. Напомним, что один микрометр (мкм) равен одной миллионной доле метра. В свою очередь, в ядре клетки петли хроматина организованы в нанодомены, в некоторых типах клеток получившие название хромомеры.
«Мы используем модельный объект, который позволяет изучать доменную организацию хроматина с очень высоким разрешением с помощью более наглядных цитологических подходов. И этот объект — гигантские хромосомы типа ламповых щеток, характерные для растущих ооцитов — будущих яйцеклеток. Такие хромосомы есть у всех позвоночных, кроме млекопитающих. В данном случае они извлекались из яичника сельскохозяйственного вида птиц — домашней курицы», — отметила руководитель исследования, доцент кафедры цитологии и гистологии СПбГУ Алла Красикова.
По словам исследовательницы, возможной альтернативной для изучения доменной организации хроматина без применения сложных методов оптической микроскопии сверхвысокого разрешения являются политенные хромосомы слюнных желез мушки дрозофилы, однако выбранный ими объект относится к позвоночным, а значит, ближе к человеку.
Основой исследования стал метод, разработанный учеными Санкт-Петербургского государственного университета совместно с лабораторией Томаса Лира в Йенском университете имени Фридриха Шиллера (Германия). Он заключается в механической микродиссекции отдельных доменов хроматина в гигантских хромосомах типа ламповых щеток с помощью стеклянных игл, микроманипулятора и микроскопа. С его помощью ученые смогли отделить небольшие участки геномной ДНК, упакованной в хромомер — структурную единицу хромосомы, различимую на уровне микроскопии.
Подготовку диссектированных фрагментов ДНК к секвенированию проводила младший научный сотрудник лаборатории структуры и динамики клеточного ядра и первый автор статьи Анна Злотина. Секвенирование полученных образцов, в свою очередь, было выполнено специалистом по полимеразной цепной реакции и секвенированию ресурсного центра Научного парка СПбГУ «Развитие молекулярных и клеточных технологий» Ольгой Павловой. В результате удалось расшифровать последовательности ДНК, входящие в состав хромомеров.
«Мы показали, что хроматин хромосом типа ламповых щеток разделен на два типа доменов. Одни из них обогащены генами, но обеднены повторяющимися последовательностями ДНК, другие, наоборот, обогащены повторами и обеднены генами. Есть и третий тип хромомеров, комбинирующих как обогащенные, так и обедненные генами районы», — рассказала Алла Красикова.
В прошлом участки генома, обогащенные повторяющимися последовательностями ДНК и не содержащие генов, считались «мусорной», или «эгоистичной», ДНК. Наибольший интерес для исследователей представляли гены, кодирующие белки. При этом значительная часть генома, около 85%, не выполняет этой функции. То, что их напрасно называют «мусорными», выяснилось позже. Теперь известно, что они играют значительную роль в самых разных механизмах, среди которых дифференцировка клеток, защита от старения и регуляция работы генома.
Также ученые сравнили хромомеры хромосом типа ламповых щеток с доменами хроматина соматических клеток, описанных в прошлом исследовании. Цитологи надеялись, что их состав окажется схожим — из-за больших размеров хромосом типа ламповых щеток они стали бы отличным объектом для визуализации и исследования организации доменов хроматина на цитологическом уровне. Например, эти домены можно было бы увидеть в микроскоп, а не просто предсказать их структуру с помощью биоинформатических подходов.
«В итоге мы не нашли каких-либо строгих соответствий. Некоторые отдельные хромомеры совпадают, но в большинстве случаев картина обратная. Однако это открывает перед нами новые интересные перспективы. Считалось, что домены хроматина устроены очень консервативно и нет большой разницы между ними в разных типах клеток — кожи, мышц и так далее. Теперь мы знаем, что они имеют совсем другую структуру в половых клетках самок птиц, и должны выяснить, чем это обусловлено. Также важно узнать, как это влияет, например, на развитие будущего эмбриона», — считает Алла Красикова.
Фундаментальный характер исследования делает его результаты полезными для функциональной геномики, цитогенетики и биологии развития. В дальнейшем совместно с коллегами из Новосибирска ученые планируют узнать, какие последовательности входят в домены хроматина в ооцитах, с помощью методов 3D-геномики. Это позволит получить полное представление о трехмерной архитектуре генома в половых клетках на стадии хромосом типа ламповых щеток.
