Ученые исследовали влияние упаковки ДНК на активность генов

Ученые исследовали влияние упаковки ДНК на активность генов

Группа российских ученых из Сколтеха, Института молекулярной генетики НИЦ «Курчатовский институт», МГУ имени М. В. Ломоносова и других организаций исследовали механизм активации генов в половых клетках мух дрозофил на этапе перехода между двумя ранними стадиями развития сперматозоидов. Аналогичный механизм действует и в организме человека, что приводит к различиям между клетками мышц, нервов, печени и других органов, и, возможно, между здоровыми и больными клетками. Ученые пришли к выводу, что активность той или иной группы генов определяется во многом трехмерной структурой, которую принимает ДНК. Полученные результаты – новый шаг в понимании механизмов и причин возникновения заболеваний, связанных с упаковкой ДНК.
 224 •
  0
25.02.2022
Ученые исследовали влияние упаковки ДНК на активность генов / ©Getty images

Работа опубликована в журнале Nucleic Acids Research. При отсутствии генетических заболеваний и операций по пересадке органов, все клетки организма человека, кроме репродуктивных, несут одинаковую ДНК. Различия в облике и поведении клеток мозга и, например, клеток сердца объясняются наличием в ДНК особого набора генов, которые активируются по-разному в зависимости от типа ткани и стадии развития.

Механизмы, лежащие в основе так называемой регуляции генов, до сих пор неизвестны, однако ученые предполагают, что они во многом зависят от того, как ДНК упакована внутри клеточного ядра. «ДНК – это двухметровая молекула, плотно упакованная в клеточное ядро, поперечный размер которого составляет около одной сотой миллиметра. В зависимости от конкретной трехмерной конфигурации ДНК, области, несущие разные гены, либо являются доступными для их активации белками, либо спрятаны там, куда белки не могут проникнуть и, следовательно, не могут активироваться», − рассказывает старший преподаватель Сколтеха Екатерина Храмеева.

Если сама упаковка ДНК определяет способность клеток «решать», какие гены активны, а какие нет, то любые аномалии в упаковке ДНК могут привести к нарушениям регуляции генов и развитию заболеваний. «На сегодняшний день лишь о нескольких заболеваниях точно известно, что они связаны с нарушениями в упаковке ДНК, но, вероятно, таких заболеваний гораздо больше. Все дело в том, что метод картирования конформации ДНК, т.е. пространственной конфигурации молекулы внутри ядра, появился только в 2009 году», − отмечает Екатерина.

«Определить и сравнить конформацию ДНК в здоровой и больной клетках недостаточно. Чтобы понять механизм заболевания и найти способы его лечения, необходимо точно знать, каким образом нарушения в упаковке ДНК влияют на функционирование генов при каждом конкретном расстройстве», − добавляет младший научный сотрудник Сколтеха Анна Кононкова.

«Пока мы лишь пытаемся разобраться в общих закономерностях влияния упаковки ДНК на регуляцию генов. В качестве модели мы использовали муху дрозофилу, а, точнее, ее сперматогоний. Это незрелая половая клетка, которая превращается в «предшественника» сперматозоида – сперматоцит», − уточняет Кононкова.

Продолжая тему, Екатерина Храмеева добавляет: «Сперматогонии и сперматоциты соответствуют двум разным стадиям формирования одной и той же клетки. При переходе от одной стадии к другой активируется до тысячи генов, а значит, все механизмы, отвечающие за регуляцию генов, на этапе перехода должны работать в полную силу. Таким образом, если в этом процессе задействованы изменения в упаковке ДНК, они должны каким-то образом обнаруживать себя».

«И действительно, мы наблюдали некоторое ослабление структуры на тех участках ДНК, где присутствовали активированные гены, что хорошо согласуется с нашим интуитивным предположением о том, что эти участки должны каким-то образом «раскрыться», чтобы активирующим белкам было легче до них добраться», − поясняет Екатерина.

Ученые также отметили, что при изменениях в форме молекулы ДНК активированные гены начинали концентрироваться в определенных местах. Это подтверждает гипотезу о том, что синтез РНК, то есть копирование информации из активных генов для создания белков, происходит не в произвольных местах по всему клеточному ядру, а лишь в определенных точках – так называемых «фабриках транскрипции».

Чтобы получить эти результаты, ученые провели эксперименты с большим объемом вычислений, используя метод анализа конформации ДНК, известный как Hi-C. Это позволило количественно оценить вероятность обнаружения каждого мелкого фрагмента ДНК, расположенного по соседству с каждым другим фрагментом. Таким образом, вместо того, чтобы создавать красивую трехмерную картинку упаковки молекулы ДНК в клеточном ядре, ученые при помощи этого метода получили набор чисел, которые для квалифицированного специалиста выглядят практически идентично трехмерной картинке.

Документальное подтверждение изменений в упаковке ДНК в сочетании с массовой активацией генов − еще один шаг вперед в понимании механизмов регуляции генов и связанных с ними заболеваний. В дальнейших исследованиях ученые намерены выяснить, в частности, существуют ли сходства в функциях генов мухи дрозофилы, если они контактируют друг с другом чаще, чем случайные фрагменты ДНК.

Исследование проводилось с участием специалистов Сколковского института науки и технологий (Сколтех), Института молекулярной генетики НИЦ «Курчатовский институт», Института проблем передачи информации имени А. А. Харкевича РАН, Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН, Новосибирского государственного университета, Института биологии гена РАН и МГУ имени М. В. Ломоносова.

Источник: naked-science.ru

Комментарии для сайта Cackle

Актуальное

Главное


Партнеры

Все партнеры