alexandr_palkin (alexandr_palkin) wrote,
alexandr_palkin
alexandr_palkin

Category:

Петляющая ДНК

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 промоутеров 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.



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».


Источник
Tags: Биология, СО РАН
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments