3D genomika pomaže nam da shvatimo kako naši geni rade.

3D genomika pomaže nam da shvatimo kako naši geni rade.

Sergey Razin, Odgovarajući član Ruske akademije znanosti, profesor, voditelj Odjela za molekularnu biologiju, Biološki fakultet, Moskovski državno sveučilište, voditelj laboratorija, Institut za biologiju gena, Ruska akademija znanosti
Sergej Uljanov, Kandidat bioloških znanosti, viši znanstveni suradnik, Biološki fakultet, Moskovski državno sveučilište i Institut za biologiju gena, RAS
"Kommersant Science" №5, srpanj 2017

Istraživanja prostorne konfiguracije DNA u kromosomima otkrivaju neočekivane, prethodno nepoznate uzroke ozbiljnih ljudskih bolesti.

Pojava trodimenzionalne genomike

Za desetke godina koje su prošle od dokaza genetske funkcije DNA u četrdesetima prošlog stoljeća, ideja da je udaljenost između bilo kojeg dijela genoma duljina DNA lanca koja ih razdvaja ostala je nepromijenjena. Danas znamo da sposobnost DNK-a da stvara petlje i druge složene strukture omogućava da se geni i elementi genoma koji kontroliraju svoj rad (pojačivači) budu međusobno blizu u prostoru stanice, čak i ako su odvojeni ekstenziranim fragmentom DNA (Sl. 1).

Posljednjih godina pojavili su se novi pristupi koji omogućuju proučavanje presavijanja genomske DNA u staničnu jezgru. To je označilo početak razvoja znanstvenog polja, koje nazivamo 3D-genomika. Koristeći ove pristupe, pokazalo se da su kromosomi podijeljeni u strukturno-funkcionalne blokove – topološki povezane domene (TADs). Genomske regije iz jednog TAD-a su u kontaktu međusobno mnogo češće nego kod mjesta sa susjednih TAD-ova. To vam omogućuje slanje TAD-ova u obliku relativno gustih kuglica DNK niti. Rezultati mnogih eksperimenata pokazuju da pojačivač može aktivirati samo gene koji se nalaze unutar TAA, gdje se nalazi njegov pojačivač.

Sl. 1. Kad se stvori DNA petlja, čak i geni i elementi genoma koji se nalaze u svom lancu koji kontroliraju svoj rad nalaze se jedan do drugoga.

Dakle, TAPS igra važnu ulogu u upravljanju aktivnostima gena. Uklanjanje ili oštećenje dijela DNK koji odvaja susjedne TAPS dovodi do činjenice da je pojačivač sposoban aktivirati gene koji normalno ne rade u ovoj vrsti stanice, što može uzrokovati ozbiljne bolesti kao što su rak, poremećaj formiranja seksualnih karakteristika i neispravnosti razvoj embrija (slika 2).

Sl. 2. Kontakti između pojačivača i promotora, u pravilu, formiraju se unutar jednog TAA. Uklanjanje granice između susjednih TAD-ova dovodi do njihovog spajanja. U tom slučaju, pojačivač dobiva priliku da kontaktira gene čiji rad normalno ne kontrolira ovaj pojačivač, koji je pun stvaranja patologija, na primjer, raka

Gdje su granice između Tadamija

Ali ono što osigurava odvajanje genoma u TAD? Djelovanje našeg laboratorija značajno je pridonijelo rješavanju ovog problema. Otkrili smo da organizacija genomske DNA u TAD-ima uglavnom spontano dolazi i upravlja jednostavnim fizičkim zakonima. Naš je rad objavljen u prestižnom međunarodnom časopisu. Istraživanje genoma (Sergey V. Ulianov i sur. Kromosom se transformira u topološke povezane domene // Istraživanje genoma, 2016, 26, str. 70-84, doi: 10.1101 / gr.196006.115), mnogo je o tome reklo u tisku i na televiziji.

Bit dobivenih rezultata jest da su granice TAD-ova genomska područja koja sadrže gene "domaćinstva", tj. Geni koji rade u svim tipovima stanica i koji su nužni za održavanje osnovnih staničnih procesa. Zbog brojnih značajki, takvi dijelovi genoma ne mogu se sklupčati u gustim globulama, čime se stvara "označavanje" granica TAD-ova u genomu.

Važno je napomenuti da smo uz raznovrsne biokemijske tehnike koristili modeliranje strukture genoma na Lomonosovom superkompjutru na Moskovskom državnom sveučilištu, a rezultati ove simulacije jasno upućuju na činjenicu da se slaganje DNA u pojedinim stanicama može vrlo mijenjati (Slika 3).

Sl. 3. Možemo istražiti prostornu organizaciju genoma pomoću superračunala kako bismo simulirali strukturu virtualnih polimera koji su slični u fizičkim svojstvima stvarnog genoma. Slika prikazuje spontano preklapanje virtualnog polimera, vođeno kaotičnim kretanjem molekula i elektrostatskim interakcijama.

Od populacija stanica do pojedinačnih stanica

U većini slučajeva, u molekularnim biološkim istraživanjima u svakom eksperimentu treba koristiti stotine tisuća, pa čak i milijune stanica. To je zbog činjenice da postoji vrlo malo molekula proučavanih u jednoj stanici, i to je iznimno teško raditi s njima.

Na primjer, količina genomske DNA u jednoj ljudskoj stanici je oko sto tisuća milijuna puta manje od jednog grama. Rad s velikim brojem ćelija dovodi do činjenice da su rezultati dobiveni u eksperimentu, u pravilu,omogućuju postavljanje prosječnih, najtipičnijih vrijednosti određenih parametara stanične fiziologije. U određenom smislu, dobivene informacije mogu se usporediti s "prosječnom temperaturom" pacijenata u bolnici.

Rad s velikim brojem ćelija u pravilu omogućuje postavljanje prosječnih, najtipičnijih vrijednosti određenih parametara stanične fiziologije, kao što je "prosječna temperatura" pacijenata u bolnici

Naravno, rezultati studija staničnih populacija omogućili su uspostavljanje mnogih važnih obrazaca. Međutim, dobro je poznato da se stanice istog tipa, gledaju pod mikroskopom na isti način, mogu razlikovati u mnogim različitim biokemijskim parametrima. Studije rada genoma u jednoj stanici postaju "trendovi vremena" i već su dali značajan doprinos u razumijevanju kako se vrši fino podešavanje rada našeg genoma. Takve studije također utječu na razvoj medicine, jer, na primjer, događaji koji se javljaju u vrlo malom udjelu stanica mogu dovesti do razvoja tumora. Kada proučavate velike populacije stanica, takvi se događaji često neprimijećaju.

U suradnji s našim austrijskim i američkim kolegama razvili smo novi eksperimentalni pristup koji nam omogućuje analizu preklapanja genoma u pojedinim stanicama. Koristeći ovaj pristup, uspjeli smo napraviti znatno detaljnije karte prostornog ustrojstva genoma miša nego u prethodnom radu engleskih kolega. Analiza podataka nedavno objavljenih u časopisu priroda (Ilya M. Flyamer i suradnici. Jednokomponentni Hi-C otkriva jedinstvenu reorganizaciju kromatina pri prijelazu oocita do zigote // priroda, 544, str. 110-114, doi: 10.1038 / nature21711), dali su snažne dokaze da se slaganje genoma razlikuje značajno u pojedinačnim stanicama (slika 4). Prema našem mišljenju, to ukazuje na to da se u ćeliji neprestano traži kroz različite genomske konfiguracije – a to omogućuje mogućnost brze prilagodbe promjenljivim uvjetima okoline.

Sl. 4. Prostorna organizacija iste regije genoma može se znatno razlikovati u različitim stanicama iste populacije. Dakle, može se urušiti u jedan gusti globul (TAD3 + 4) ili podijeliti na nekoliko globula (TAD3 i TAD4)

Iako je u većini slučajeva lakše proučiti staničnu populaciju nego pojedinačne stanice, kod nekih tipova stanica populacijski pristup se uopće ne može koristiti,jer su te stanice ono što se naziva komadom robe. Koristeći eksperimentalni pristup koji smo razvili, uspjeli smo proučiti preklapanje roditeljskih i majčinih genoma u oplođenim jajnim stanicama (zigotama) miša.

Prilično neočekivano, otkrili smo da je preklapanje genomske DNA u majčinskoj jezgri u zigoti bitno različito od preklapanja genoma u jezgrama bilo kojeg drugog tipa stanica. U jezgrama svih ostalih ispitivanih staničnih stanica, aktivna i "tiha" područja genoma su prostorno odvojena jedna od druge. U majčinoj jezgri zigota, naprotiv, to se ne opaža. Naši rezultati upućuju na to da je konfiguracija genoma u majčinskoj jezgri najosnovnija, koja odgovara tzv. Stanju totipotenciji, koja omogućava dobivanje mnogih različitih tipova stanica odraslog organizma iz jednog zigota tijekom embrionalnog razvoja.

Prostorna konfiguracija genoma u majčinskoj jezgri je najosnovnija i omogućuje da se dobije mnogo različitih tipova odraslih stanica iz jednog oplođenog jajašca.

3D genomika i medicina

Kad se raspravlja o vijestima o molekularnoj biologiji, u pravilu govore o "ljudskom genomu" ili "ljudskoj genomskoj DNA", ili jednostavno o DNK. No, važno je zapamtiti da jezgre stanica našeg tijela normalno sadrže 23 različite DNA molekule, od kojih svaka čini zaseban kromosom, a zajedno se naziva genom.

Svaki je kromosom upakiran na specifičan i jedinstveni način za njega i nalazi se u jezgri stanice, tako da područje koje ga okupira praktički ne presijeca s područjima susjednih kromosoma. U tom smislu, stanična jezgra nalikuje globusu u kojemu postoje mnoge države koje zauzimaju određene teritorije i odvojene su granicama.

Povijest zna mnogo primjera kako su događaji u jednoj državi izravno utjecali na život u susjednim zemljama i svjetskoj politici u cjelini. U ćelijskoj jezgri, situacija je otprilike jednaka. Sve promjene u genomu, bilo da počinje ili potiskuju ekspresiju pojedinačnih gena, ili izgled dodatnih kopija određenih kromosoma, mogu utjecati na rad gena koji nisu izravno zahvaćeni ovim promjenama i nalaze se u drugim kromosomima.

Kao primjer, možemo istaknuti rezultate rada koji smo provodili s našim francuskim kolegama iz Instituta Gustave-Russi. Rezultati ovog rada objavljeni su u prestižnom hematološkom časopisu. krv (Jeanne Allinne i sur. Perinukleološka relocalizacija nukleolina i limfoma) krv, V. 123, 13, str. 2044-2053, doi: 10.1182 / blood-2013-06-510511). Uvjerljivo smo dokazali da bi jednostavno premještanje određenog gena iz jedne regije jezgre u drugu moglo biti uzrok njegovog aktiviranja u stanicama, gdje obično ne funkcionira. To pokreće cijelu kaskadu procesa koji konačno dovode do razvoja leukemije čiji će temeljni uzroci biti teško razumjeti bez uzimanja u obzir prostornu strukturu genoma.

Jednostavno premještanje određenog gena iz jedne regije jezgre u drugu može potaknuti kaskadu procesa koji konačno dovode do razvoja leukemije.

Važno je napomenuti da otkriće temeljno novog mehanizma za pojavu leukemije stvara osnovu za razvoj načina za borbu protiv tih bolesti. Stoga su studije o presavijanju genomske DNA u jezgri zanimljive ne samo za fundamentalnu znanost, već i za medicinu, pridonoseći dubljoj razumijevanju mehanizama pojave različitih patologija.

Razvoj organizacije 3D genoma

Budući da je trodimenzionalna organizacija genoma jedan od alata za regulaciju ekspresije gena, ona mora biti podložna evoluciji. U nedavnom radu u našem laboratoriju, rezultati su objavljeni u visokom međunarodnom časopisu Molekularna biologija i evolucija (Anastasia P. Kovina i dr., Evolucija genomskih 3D Globin genskih klastera Organizacija: fuzionirani i odvojeni // Molekularna biologija i evolucija, V. 34, 6, str. 1492-1504, doi: 10.1093 / molbev / msx100), pokazali smo da je doista tako.

Koristeći se primjerom evolucije klastera globinskih gena kralježnjaka, dokazali smo da dok se kreću duž evolucijske ljestvice, izgubljeni su linearni segmenti kromosoma, dok se segmenti organizirani u globule (zavojnice) ostaju (Slika 5).

Sl. 5. Rezultati našeg istraživanja o prostornoj strukturi globinog gena lokusa tropskih riba Danio rerio pokazuju da su segmenti genoma koji promoviraju kontakt između pojačivača i gena (organizirani u petljama) sačuvane tijekom evolucije. Nasuprot tome, linearni segmenti genoma odbačeni su prirodnom selekcijom.

Najvjerojatnije je to zbog činjenice da se kod sisavaca značajno povećava uloga daljnjih pojačivača u regulaciji aktivnosti gena.Uspostava kontakata između takvih pojačivača i gena pod njihovom kontrolom osigurava se formiranjem DNA petlje, što dovodi do stvaranja globula.

Kod kralježnjaka, dok se kreću duž evolucijske ljestvice, izgubljeni su linearni segmenti kromosoma, dok su segmenti organizirani u globule

Završne bilješke

Posljednjih godina domaća je znanost često i u mnogim slučajevima bila razborito kritizirana zbog male produktivnosti i nedostatka međunarodnog rada. Iznad smo pokazali kako jedan relativno mali domaći laboratorij uspješno djeluje na čelu svjetske znanosti, sustavno objavljujući rezultate svog rada u najprestižnijim međunarodnim časopisima.

Provedba svih gore navedenih djela omogućena je zahvaljujući velikom potporom Ruske znanstvene zaklade. Vrijednost ovakve podrške teško je precijeniti, ne samo zato što pruža sposobnost obavljanja skupe radove, poput masovnog sekvenciranja DNA. No što je još važnije, takve potpore pružaju priliku za privlačenje mladih istraživača na posao, pružajući razumnu alternativu odlasku u inozemstvo.Barem u eksperimentalnoj biologiji, ciljana podrška grupama koje rade na svjetskoj razini (koja se može ocjenjivati ​​po prisutnosti publikacija u časopisima s međunarodnim ocjenama) je, po našem mišljenju, najizravniji put do oživljavanja znanosti u našoj zemlji.


Like this post? Please share to your friends:

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