Российские учёные выяснили роль случайных процессов в создании 3D генома
Сотрудники биологического и физического факультетов МГУ совместно с коллегами подтвердили, что механизм формирования 3D генома (пространственной организации ДНК) в живых клетках допускает существенные вариации конечного результата, из-за чего пространственная конфигурация генома не может быть точно предсказана на основании только знаний компактизации (упаковки в клеточном ядре) молекулы ДНК.
Работа выполнялась в том числе и на суперкомпьютере МГУ «Ломоносов-2». Она поможет понять природу различных заболеваний, связанных с нарушением координированной работы генов (например?), в том числе онкологических.
Работа опубликована в Nature Communications.
В геномах всех позвоночных животных представлены практически одни и те же гены. С некоторого момента эволюция шла не по пути увеличения числа и разнообразия генов, а по пути усложнения систем, контролирующих их экспрессию. Отличительной особенностью клеток многоклеточных организмов является наличие избыточного (по сравнению с числом генов) количества удаленных регуляторных элементов (энхансеров), стимулирующих работу генов. Возможность использования различных комбинаций энхансеров существенно повышает адаптивный потенциал регуляторной системы, обеспечивая, в частности, возможность отвечать на внешние сигналы (например, гормоны) и осуществлять координацию в работе различных групп генов.
«Важно, что для того, чтобы стимулировать работу гена, регуляторные элементы должны находиться рядом с эти геном в физическом пространстве клеточного ядра что достигается на уровне 3D организации генома посредством выпетливания фрагмента ДНК, разделяющего ген и регуляторный элемент», - рассказал профессор Сергей Владимирович Разин, член-корреспондент РАН, профессор, заведующий кафедрой молекулярной биологии биологического факультета МГУ
В настоящее время существует много свидетельств того, что пространственная реконфигурация протяженного сегмента ДНК может привести к активации работы одних генов, приблизив их к энхансерам, и подавлению работы других генов, отдалив их от энхансеров или даже приблизив их к репрессированным геномным доменам (гетерохроматину). Такая реконфигурация происходит, в частности, по ходу процесса клеточной дифференцировки, приводящему к возникновению специализированных клеток, составляющих различные ткани. Возможна и «неправильная» реконфигурация, результатом которой будет активация тех генов, которые в данном типе клеток работать не должны, в том числе и онкогенов. По всей видимости, такие события являются достаточно редкими в силу того, что геном разделен на TADs, ограничивающие сферу действия энхансеров.
«Раскрытие механизмов формирования TADs и оценка их стабильности чрезвычайно важны для того, чтобы понять, насколько часто может происходить случайная активация различных генов, в том числе и онкогенов «чужими» энхансерами»», - объяснил профессор МГУ Сергей Разин
Стохастические (случайные) процессы играют важную роль в формировании 3D генома индивидуальных клеток, что допускает существенные вариации конечного результата, в силу чего пространственная конфигурация генома не может быть точно предсказана на основании знаний об исходной структуре хроматиновой фибриллы. Это имеет важное значение для раскрытия причин возникновения различных, в том числе онкологических заболеваний, связанных с нарушением координированной работы генов, так как на уровне 3D организации генома устанавливаются функционально значимые контакты между промоторами генов и удаленными регулярными элементами.
Учёные МГУ в составе международного коллектива исследовали геном дрозофилы, который, как и геномы млекопитающих, разделен на топологически ассоциированные домены (TAD), которые, как было показано в ряде исследований, являются структурно-функциональными блоками генома. В силу того, что в биохимических исследованиях предметом изучения являются, как правило, популяции клеток, оставалось неясным, являются ли TADs реальными структурными блоками хромосомы, локализованными в одинаковых позициях в геномах разных клеток, или возникают как среднее из множества альтернативных паттернов сворачивания хроматина в индивидуальных клетках.
Hi-C анализ индивидуальных клеток (изучение пространственной организации хроматина в ядре клетки, базирующееся на количественной оценке частот контактов между геномными локусами в трёхмерном пространстве) и моделирование на суперкомпьютере МГУ Ломоносов-2 позволили установить, что более 40% границ TADs консервативны, т.е. присутствуют в ядрах разных клеток. Такие границы характеризуются высоким уровнем эпигенетических меток, типичных для транскрипционно-активных частей генома.
Моделирование трехмерной структуры хроматиновой фибриллы позволило обосновать предположения о факторах, играющих ключевую роль в организации хроматина, и получить важную информацию о его упаковке. Было установлено, что сворачивание хроматина внутри TADs лучше всего описывается моделью случайного блуждания, тогда как на более длинных дистанциях укладка хроматиновой фибриллы имеет фрактальный характер.
В различных клетках была отмечена заметная вариативность в паттернах пространственных контактов либо между активными локусами генома, либо между областями, связанными с репрессорными комплексами Polycom (PcG). Это указывает на существенный вклад стохастических процессов в формирование 3D-генома Drosophila в тех пределах, которые определяются существованием консервативных границ TADs. Чаще всего контактируют друг с другом участки генома, расположенные внутри одного TAD, в силу чего присутствующие в TAD энхансеры активируют только гены, находящиеся в том же TAD. Если участки между ТАД повреждаются или удаляются, то это может привести к тому, что энхансеры могут активировать гены другого домена, что может стать причиной возникновения тяжелых заболеваний, таких как рак, нарушения формирования половых признаков и нарушений развития эмбриона.
«3D геномика является одним из тех направлений в экспериментальной биологии, в которой отечественные ученые относятся к числу мировых лидеров. Также важно отметить, что работы по 3D геномике являются мультидисциплинарными. В представленной здесь работе важную роль играло сотрудничество молекулярных биологов из МГУ и Института биологии гена РАН с биоинформатиками из Сколково и физиками с физического факультета МГУ», - добавил Сергей Разин.
