Сегодня - 20.09.2019

Петляющая ДНК

29 ноября 2018

Ученые ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН», продолжая работу, посвященную упорядочиванию ДНК в клеточных ядрах, сравнили два типа клеток — фибробласты и эритроциты — у человека и у курицы и выяснили ряд интересных моментов, требующих дополнительных исследований. Результаты работы опубликованы в журнале Nucleic Acid Research.

 
Около десяти лет назад на вооружении у биологов появился эффективный метод под названием Hi-C, позволяющий узнать пространственную структуру укладки ДНК внутри ядер клеток. Представим огромный аэропорт со сканирующей аппаратурой — по ленте едут рюкзаки, чемоданы и сумки, а специалист смотрит на экране: нет ли запрещенных к провозу вещей. Заодно, если будет интерес, можно увидеть, насколько аккуратно люди складывают одежду, обувь и прочие нужные предметы и не помещают ли способное пролиться красное вино рядом с дорогим кашемировым пальто. Природа — «человек» очень аккуратный и предусмотрела для ДНК логичный, неслучайный и очень похожий у разных организмов способ организации столь важной структуры. 
 

Метод Hi-C совмещает в себе инструменты генной инженерии — разрезание и сшивание ДНК, фиксацию ее в пространстве за счет химических реакций и взаимодействия с окружающими белками — плюс массовое параллельное секвенирование.

 

«То, что при этом существует много петель (а как иначе длинную молекулу упаковать в маленькое ядро), сюрпризом для исследователей не оказалось, — комментирует ведущий научный сотрудник ФИЦ ИЦиГ СО РАН кандидат биологических наук Вениамин Семёнович Фишман. — Интересно другое — эти петли, как выяснилось, располагаются в неслучайных местах и являются не статичными, а динамичными». 

 
Есть комплекс, который представляет собой нечто вроде карабина у альпинистов — он «садится» на ДНК и протягивает ее внутрь кольца, образуя при этом петлю. На самой же ДНК существуют участки, где располагаются белки, блокирующие этот процесс. «Комплекс доезжает до них и останавливается, в этом месте образуется более или менее стабильная петля, — объясняет Вениамин Фишман. — Однако он не связывается с ДНК намертво: по какой-либо причине, пока непонятно, какой именно, комплекс “отваливается”, и наша петля распадается. Затем кольцо случайно “садится” в другое место и снова начинает формировать петлевую структуру. Этот процесс в клетке идет постоянно, но поскольку блокирующие белки сидят всё время на одном и том же месте, то и петли (а их много и они разные) в среднем располагаются в одинаковых местах».
 
Механизм протягивания петли является чрезвычайно важным. Как известно, клетки в организме очень сильно отличаются друг от друга как морфологически, так и функционально. Это вызвано тем, что в них работают разные гены (хотя геном один). Чтобы обеспечить эту дифференциацию в числе других факторов работают и петли ДНК. «Дело в том, что в них на какое-то время неподалеку друг от друга оказываются промоторы (это участки, где начинается работа генов, куда садится белок, считывающий ген) и энхансеры (регионы в ДНК, где сидят контролирующие белки, способные включать ген). Пространственное их сближение и задает включение гена, — комментирует Вениамин Фишман. — Соответственно петли важны для того, чтобы обеспечить связывание правильных “пар”».
 
Практическая значимость исследования организации ДНК в клеточных ядрах заключается в том, что есть целый ряд заболеваний, в первую очередь наследственные и онкологические патологии, которые связаны с мутациями, нарушающими структуру петель. При этом и сами гены, и энхансеры не имеют никаких изменений — но, к примеру, удалены места посадки блокирующих белков, меняется координация промоторов и энхансеров. В результате последние, например, включают участок, отвечающий за деление клетки — и уже было показано, что в ряде случаев это может быть причиной появления рака. Продолжая аналогию — чемодан тряхнуло (или его взяли вверх ногами), и бордо все-таки пролилось на белый кашемир. 
 
«Полное понимание действия механизма поможет подбирать соответствующую терапию в зависимости от причины, по которой произошло перерождение клетки, и с учетом того, какие гены работают в опухоли», — говорит Вениамин Фишман. 
 
Авторы статьи, сотрудники отдела молекулярных механизмов онтогенеза ФИЦ ИЦиГ СО РАН (слева направо): Алексей Кораблев, Нариман Баттулин, Мирослав Нуриддинов, Вениамин Фишман (сидит)
 
Исследователи из ФИЦ ИЦиГ СО РАН решили углубиться в фундаментальные аспекты этого вопроса. Три года назад ученые опубликовали работу, где рассматривались несколько типов клеток, и было показано: во всех них петли очень похожи, и многие совпадают по своему расположению. Казалось бы, должно быть наоборот — если это задает клеткам специфику. «Похоже, петли создают некую базовую инфраструктуру, чтобы группы энхансеров и генов могли встретиться, — поясняет Вениамин Фишман, — а какие из них окажутся близки, определяется уже другими механизмами». 
 
Теперь же биологи хотели узнать, насколько эволюционно консервативны петли. То есть если взять участки ДНК, которые сохранили длинные последовательности в ходе эволюции, у различных организмов, то было интересно — в одинаковых или в разных местах окажутся нужные структуры. В одной из статей за авторством других исследователей (Великобритания) уже было показано сравнение нескольких видов млекопитающих: кролика, собаки, макаки, мыши и человека. Выяснилось — да, петли располагались примерно в тех же местах. Кроме того, также в мире уже были проведены работы на дрозофиле, но, по словам Вениамина Фишмана, в отношении петель трудно проводить параллель между людьми и мухами, слишком сильно разошлись геномы. 
 
«Мы задумали посмотреть что-то посередине и найти где-то в промежутке момент, с которого пошло расхождение, — рассказывает Вениамин. — Как модельный объект взяли птиц, в частности курицу. Во-первых, потому что это сельскохозяйственно значимый модельный объект. Во-вторых, наша работа выполнялась совместно с коллегами из Санкт-Петербургского государственного университета: группой кандидата биологических наук Аллы Валерьевны Красиковой. Они занимались куриным геномом на протяжении многих лет. В-третьих, мы хотели взять контрастные типы клеток».
 
Дело в том, что у курицы есть еще один очень необычный тип клеток — ядерные эритроциты. У людей ядро выбрасывается из них в ходе созревания. Доподлинно причины неизвестны, но главенствующая идея заключается в том, что размеры капиллярной системы в ходе эволюции постепенно уменьшались, и в какой-то момент капилляры стали настолько тонкими, что эритроциты с ядром туда просто не пройдут.
 
«У куриц ядра в эритроцитах есть, и ДНК там очень плотно упакована. Так что мы решили взять у куриц фибробласты (клетки соединительной ткани, они считаются “типичными”), чтобы сделать эволюционное сравнение, и эритроциты — посмотреть на необычный клеточный тип», — говорит Вениамин Фишман.
 
В ходе работы ученые ФИЦ ИЦиГ СО РАН обнаружили две интересные вещи. Первая — петли консервативны не только у млекопитающих. Несмотря на эволюционную разницу в 120 миллионов лет, у курицы тоже сохраняется не только линейная, но и пространственная структура ДНК. «Видимо, это очень важный для функции организмов механизм, который мы еще плохо знаем», — отмечает Вениамин Фишман. 
 
Вторая — в эритроцитах у курицы механизм протягивания петли не работает. «Это абсолютно уникальный пример, — говорит ученый. — Вот представим: все типы клеток, которые были исследованы, у всех организмов, достаточно далеких друг от друга, демонстрируют более-менее одинаковые петли. И вдруг — тип клеток, где таких структур нет вообще! Конечно, какие-то петли всё равно имеются, но нет нужных нам, специфических, с конкретным механизмом образования». 
 
Результаты работы опубликованы в NAR. Одновременно с этой статьей вышла еще одна, где коллектив авторов из Великобритании и США пишет: в ходе митоза, когда клетка делится и ей нужно дополнительно упаковать ДНК и начать распределять ее между дочерними клетками, — вот в этот очень короткий момент, исчисляющийся минутами, — ее специфические петли пропадают. «Мы предполагаем, что куриные эритроциты — это уникальные клетки, которые постоянно живут как будто в состоянии процесса деления. В этот момент ДНК максимально компактна, и это помогает эритроцитам сильно уменьшить ядро», — объясняет Вениамин Фишман.
 
В дальнейшем ученые ФИЦ ИЦиГ СО РАН, используя эритроциты курицы, хотят узнать, что происходит в ходе клеточного деления, как ДНК становится столь плотно упакованной — в настоящее время эти процессы очень плохо изучены. В частности, потому, что в жизни клетки процесс самого размножения занимает считанные минуты, и у исследователей не было хорошей модели — большой популяции клеток, которые бы долго находились в нужном состоянии. «Теперь у нас эта возможность есть, — говорит Вениамин Фишман, — и мы пытаемся прояснить интересующие нас вопросы. Еще одно продолжение этой работы — и у нас есть на это грант РФФИ  — изучение эритроцитов мыши и человека на очень коротких стадиях прямо перед выбрасыванием ядра. Мы хотим попробовать посмотреть, насколько консервативен в эволюции этот феномен: так же или нет упаковывается ДНК перед избавлением от ядра у млекопитающих и человека». 
 
Екатерина Пустолякова
 
Фото: предоставлено Вениамином Фишманом и из открытых источников (анонс).
 
Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (6 votes)
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus