3D genomika padeda mums suprasti, kaip veikia mūsų genai.

3D genomika padeda mums suprasti, kaip veikia mūsų genai.

Sergejus Razinas Rusijos mokslų akademijos narys, profesorius, Molekulinės biologijos katedros vedėjas, biologinis fakultetas, Maskvos valstybinis universitetas, Rusijos mokslų akademijos gene biologijos instituto laboratorijos vadovas
Sergejus Ульянов, Biologinių mokslų kandidatas, vyresnysis mokslinis bendradarbis, biologijos fakultetas, Maskvos valstybinis universitetas ir Genejos biologijos institutas, RAS
"Kommersant Science" №5, 2017 m. Liepos mėn

DNR erdvinės konfigūracijos tyrimas chromosomose atskleidė netikėtus, anksčiau nežinomus sunkių žmogaus ligų priežastis.

Trimatės genomikos atsiradimas

Praėjus daugeliui metų, praėjusių nuo genetinės DNR funkcijos praėjusio amžiaus keturiasdešimt septynerių metų, idėja, kad atstumas tarp bet kurių genomo sekcijų yra DNR grandinės ilgis, atskiriantis juos, išliko nepakitęs. Šiandien mes žinome, kad DNR sugebėjimas formuoti kilpas ir kitas sudėtingas struktūras leidžia genams ir genomo elementams, valdantiems savo darbą (stiprintojus), būti arti vienas kito ląstelės branduolio erdvėje, net jei jie yra atskirti išplėstine DNR fragmentu (pav. 1).

Pastaraisiais metais atsirado naujų požiūrių, leidžiančių tyrinėti genomo DNR suskaidymą į ląstelių branduolį. Tai buvo mokslinės srities raidos pradžia, kurią mes vadiname 3D genomika. Naudojant šiuos metodus buvo parodyta, kad chromosomos yra suskirstytos į struktūrinius-funkcinius blokus – topologiškai susietus domenus (TAD). Vienos TAD genomo regionai daug dažniau bendrauja tarpusavyje, nei su kaimyninių TAD vietovėmis. Tai leidžia pateikti TAD kaip santykinai tankus DNR grandžių kamuoliukus. Daugelio eksperimentų rezultatai rodo, kad stipriklis gali aktyvuoti tik genus, esančius TAA viduje, kur yra jo stipriklis.

Pav. 1. Sukūrus DNR kilpą, net genai ir genomo elementai, esantys jo grandinėje, kurie kontroliuoja jų darbą, yra arti vienas kito.

Taigi, TAPS vaidina svarbų vaidmenį valdant genų veiklą. DNR sekcijos pašalinimas ar sugadinimas, kuris atskiria gretimus TAPS, lemia tai, kad stipriklis gali aktyvuoti tokius genus, kurie paprastai neveikia tokio tipo ląstelėse, o tai gali sukelti sunkias ligas, tokias kaip vėžys, seksualinių charakteristikų sutrikdymas ir veikimo sutrikimas embrionų vystymasis (2 pav.).

Pav. 2 Paprastai kontaktai tarp stiprintuvų ir reklamuotojų sudaromi vienoje TAA. Pašalinus tarp gretimų TAD ribas, jų sujungimas. Tokiu atveju sustiprintojas gauna galimybę susisiekti su genais, kurių darbą paprastai nekontroliuoja šis stipriklis, o tai sukelia patologiją, pavyzdžiui, vėžį

Kur yra sienos tarp Tadami?

Bet kas užtikrina genomo atskyrimą į TAD? Mūsų laboratorijos darbas labai prisidėjo prie šios problemos sprendimo. Mes nustatėme, kad genetinės DNR organizavimas TAD dažniausiai vyksta spontaniškai ir jį reglamentuoja paprasti fiziniai įstatymai. Mūsų darbas buvo paskelbtas prestižiniame tarptautiniame žurnale. Genomo tyrimai (Sergejus V. Ulianovas ir kt. Chromosomos transformuojasi į topologiškai susirišančius domenus // Genomo tyrimai, 2016, 26 p. 70-84, doi: 10.1101 / gr.196006.115), daug apie tai buvo pasakyta spaudoje ir televizijoje.

Mūsų rezultatai esmė yra tai, kad sienos yra TADov genomikos regionai, kuriuose yra genai "namų ūkio", ty genų, kurie dirba visų ląstelių tipų ir yra būtina siekiant užtikrinti pagrindines ląstelių procesus. Dėl daugybės savybių, tokios genomo dalys negali sulaužyti į tankius glotulius, tokiu būdu sukuriant "genotipo" TAD ribų "žymėjimą".

Svarbu pažymėti, kad, be įvairių biocheminių metodų, mes naudojome genomo struktūros modeliavimą Lomonosovo superkompiuteriu Maskvos valstybiniame universitete, o šio modeliavimo rezultatai aiškiai rodo, kad DNR sukėlimas į atskiras ląsteles gali labai skirtis (3 pav.).

Pav. 3 Mes galime ištirti erdvinę genomo organizaciją, naudojančią superkompiuterius, kad imituotų virtualių polimerų struktūrą, kuri yra panaši į fizines savybes su faktiniu genomu. Paveikslėlyje parodytas spontaniškas virtualiojo polimero lankstymas, vadovaujamasi chaotišku molekulių judesiu ir elektrostatine sąveika.

Iš ląstelių populiacijų į atskiras ląsteles

Daugumoje atvejų molekulinių biologinių tyrimų metu kiekviename eksperimente reikia naudoti šimtus tūkstančių ir net milijonus ląstelių. Taip yra dėl to, kad vienoje ląstelėje yra labai mažai molekulių, todėl labai sunku su jais dirbti.

Pavyzdžiui, genomo DNR kiekis vienoje žmogaus ląstelėje yra maždaug šimtas tūkstančių milijonų kartų mažiau nei vienas gramas. Darbas su daugybe ląstelių lemia tai, kad eksperimento metu gauti rezultatai, kaip taisyklė,leiskite nustatyti vidurkį, tipiškiausias tam tikrų ląstelių fiziologijos parametrų vertes. Tam tikra prasme gautą informaciją galima palyginti su pacientų "vidutine temperatūra" ligoninėje.

Paprastai dirbant su daugybe ląstelių, galite nustatyti vidutines, labiausiai tipiškas tam tikrų ląstelių fiziologijos parametrų vertes, pvz., Pacientų "vidutinę temperatūrą" ligoninėje

Žinoma, ląstelių populiacijų tyrimų rezultatai leido nustatyti daugybę svarbių modelių. Tačiau gerai žinoma, kad to paties tipo ląstelės, atrodančios mikroskopu lygiai taip pat, gali skirtis dėl daugybės skirtingų biocheminių parametrų. Genomo darbo tyrimai vienoje ląstelėje tampa "laiko tendencija" ir jau padarė didelę įtaką supratimui, kaip atliekamas mūsų genomo darbo koregavimas. Tokie tyrimai taip pat turi įtakos vaisto vystymuisi, nes, pavyzdžiui, labai mažoje ląstelių dalyje vykstantys įvykiai gali sukelti navikų vystymąsi. Studijuojant didelių ląstelių populiacijas, tokie įvykiai dažnai nepastebimi.

Bendradarbiaudami su mūsų kolegos iš Austrijos ir Amerikos mes sukūrėme naują eksperimentinį metodą, kuris leidžia mums analizuoti atskirų ląstelių genomo lankstymą. Naudodamiesi šiuo požiūriu galėjome kurti žymiai detalesnius pelės genomo erdvinės organizacijos žemėlapius nei ankstesniuose anglų kolegų darbuose. Neseniai žurnale paskelbtų duomenų analizė Gamta (Ilya M. Flyamer ir kt. Vieno branduolio Hi-C atskleidžia unikalią chromatino reorganizaciją oocitų-zigotų perėjimo metu // Gamta, 544, p. 110-114, doi: 10.1038 / nature21711), pateikė tvirtus įrodymus, kad genomo kaupimas labai skiriasi atskirų ląstelių (4 pav.). Mūsų nuomone, tai rodo, kad ląstelėje yra nuolatinė paieška per įvairias genomo konfigūracijas – tai suteikia galimybę greitai prisitaikyti prie besikeičiančių aplinkos sąlygų.

Pav. 4 To paties genomo regiono erdvinė organizacija gali labai skirtis skirtingose ​​tos pačios populiacijos ląstelėse. Taigi, jis gali būti sugadintas į vieną tankią globulą (TAD3 + 4) arba padalintas į keletą glubulių (TAD3 ir TAD4)

Nors daugeliu atvejų yra lengviau tyrinėti ląstelių populiaciją nei atskiras ląsteles, kai kurių tipų ląstelių populiacijos metodas apskritai negali būti naudojamas,nes šios ląstelės yra vadinamos vienetinėmis prekėmis. Naudodamiesi mūsų sukurtu eksperimentiniu metodu, mes galėjome ištirti, ar lopšioji kiaušialąsčių ląstelė (zigotai) yra tėvų ir motinų genomų.

Visiškai netikėtai atradome, kad genomo DNR suskaidymas gimdos branduolyje zigoteje iš esmės skiriasi nuo genomo lankstymo bet kurio kito ląstelių tipo branduoliuose. Visų kitų tirtų ląstelių tipų branduoliuose aktyvus ir "tylus" genomo regionai yra erdvėje atskirti vienas nuo kito. Zigoto motinos branduolys, atvirkščiai, to nepastebi. Mūsų rezultatai rodo, kad genomo konfigūracija motininiame branduolyje yra pagrindinė, atitinkanti vadinamąją totipotencijos būklę, kuri leidžia embrioniniam vystymuisi įgyti daug skirtingų suaugusio organizmo ląstelių tipų iš vieno zigoto.

Genomo erdvinė konfigūracija motininiame branduolyje yra pagrindinė ir leidžia gauti daugybę skirtingų suaugusių ląstelių tipų iš vieno apvaisinto kiaušinio.

3D genomika ir medicina

Kalbėdami apie molekulinės biologijos naujienas, jie paprastai kalba apie "žmogaus genomą" arba "žmogaus genomo DNR" arba tiesiog į DNR. Tačiau svarbu prisiminti, kad mūsų kūno ląstelių branduoliai paprastai apima 23 skirtingas DNR molekules, kurių kiekviena sudaro atskirą chromosomą, kartu jas vadina genomu.

Kiekviena chromosoma yra supakuota į specifinį, unikalų būdą jai ir yra ląstelės branduolyje, todėl jo užimama teritorija praktiškai nesutampa su kaimyninių chromosomų teritorijomis. Šia prasme ląstelių branduolys primena pasaulį, kuriame yra daugybė valstybių, okupuojančių tam tikras teritorijas ir atskirtas sienomis.

Istorija žino daug pavyzdžių, kaip įvykiai vienoje valstybėje turėjo tiesioginės įtakos gyvenimui kaimyninėse šalyse ir visoje pasaulio politikoje. Ląstelių branduolyje situacija yra apie tą patį. Bet kokie genomo pokyčiai, pradedant ar slopinantys atskirų genų išraišką, ar tam tikrų chromosomų papildomų kopijų išvaizda, gali paveikti genų, kurių šie pokyčiai tiesiogiai neturi įtakos ir kurie yra kitose chromosomų valstybėse, darbą.

Pavyzdžiui, mes galime atkreipti dėmesį į rezultatus, kuriuos atlikome su mūsų Prancūzijos kolegomis iš Gustavo-Rusijos instituto. Šio darbo rezultatai buvo paskelbti prestižiniame hematologiniame žurnale. Kraujas (Jeanne Allinne ir kt. Perinucleolar nukleolino ir limfomos perkėlimas) Kraujas, V. 123, 13, p. 2044-2053, doi: 10.1182 / blood-2013-06-510511). Mes įtikinamai įrodėme, kad tiesiog judinant tam tikrą geną iš vieno branduolio regiono į kitą gali būti jo aktyvavimo ląstelėse priežastis, kai jis paprastai neveikia. Tai paleidžia visą procesų kaskadą, galiausiai lemiančią leukemiją, kurios pagrindines priežastis būtų sunku suprasti, neatsižvelgiant į genomo erdvinę struktūrą.

Tiesiog judinant konkretų geną iš vieno branduolio regiono į kitą gali sukelti procesų, kurie galiausiai lemia leukemijos vystymąsi, kaskados.

Svarbu pažymėti, kad iš esmės naujas leukemijos atsiradimo mechanizmas yra pagrindas kovos su šiomis ligomis būdų kūrimui. Taigi genomo DNR sulydymo branduolyje tyrimai yra svarbūs ne tik fundamentiniams mokslams, bet ir medicinai, taip prisidedant prie gilesnio įvairių patologijų atsiradimo mechanizmų supratimo.

3D genomo organizacijos raida

Kadangi genomo trimatis organizavimas yra viena iš priemonių, leidžiančių reguliuoti genų ekspresiją, jis turi būti evoliucionuojamas. Neseniai mūsų laboratorijoje atliktas darbas, kurio rezultatai paskelbti aukšto rango tarptautiniame žurnale Molekulinė biologija ir evoliucija (Anastasija P. Kovina ir kt. Genomo 3 Globino genų klasterių organizacijos evoliucija: sujungta ir atskiriama Molekulinė biologija ir evoliucija, V. 34, 6, p. 1492-1504, doi: 10.1093 / molbev / msx100), mes parodėme, kad taip yra.

Ant evoliucijos globino geno klasteris stuburinių Pavyzdžiui, mes parodė, kad, kaip jie juda palei evoliucijos laiptais prarasti segmentų linijinių chromosomų, o susivieniję į lašeliai (kamuoliai) segmentai saugomi (5 pav.).

Pav. 5 Tyrimų rezultatai apie tropinių žuvų globino geno lokuso erdvinę struktūrą Danio rerio rodo, kad evoliucijos metu išsaugomi genomo segmentai, skatinantys sustiprinimą ir genų ryšį (organizuojami kilpos). Priešingai, linijiniai genomo segmentai naikinami natūralia atranka.

Labiausiai tikėtina, kad tai yra dėl to, kad žinduoliams žymiai padidėja grynųjų aktyvų reguliavimo atstumas.Tokių stiprintuvų ir jų kontroliuojamų genų ryšių sukūrimas užtikrina DNR kilpos sukūrimą, dėl kurio susidaro glubuliai.

Pasibaigus stuburiniams gyvūnams, judant palei evoliucines kopijas, prarandami linijiniai chromosomų segmentai, o segmentai, sudaryti į globulus (tangles), išlieka

Baigiamosios pastabos

Pastaraisiais metais vietinis mokslas dažnai ir daugeliu atvejų buvo pagrįstai kritikuojamas dėl mažo našumo ir tarptautinio darbo trūkumo. Pirmiau mes parodėme, kaip viena palyginti nedidelė šalies laboratorija sėkmingai veikia pasaulinio mokslo priešakyje, sistemingai paskelbdama savo darbo rezultatus prestižiškiausiuose tarptautiniuose žurnaluose.

Visų minėtų darbų įgyvendinimas tapo įmanomas dėl didelės Rusijos mokslo fondo dotacijos. Tokios paramos vertę sunku pervertinti ne tik todėl, kad ji suteikia galimybę atlikti brangus darbas, pavyzdžiui, masinis DNR sekos nustatymas. Tačiau svarbiausia, kad tokios dotacijos suteikia galimybę pritraukti jaunus mokslininkus į darbą, suteikiant tinkamą alternatyvą užsienyje.Bent jau eksperimentinėje biologijoje, tikslinė parama pasauliniu lygmeniu dirbančioms grupėms (kurią galima spręsti iš publikacijų tarptautiniuose žurnaluose) yra mūsų nuomone labiausiai tiesioginis būdas atnaujinti mokslą mūsų šalyje.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: