Удивительное дело: набор генов во всех клетках живого организма, в том числе человека, один и тот же, “инструкция” действий для всех клеток тоже общая, а работают они по-разному. Скажем, обеспечивая развитие таких непохожих “деталей” человека, как печень и волосы. Происходит это, в частности, оттого, что в какие-то моменты внутриклеточные силы “включают” одни гены и “отключают” другие. И немалую роль во всем этом играет так называемая архитектура генома, в исследование особенностей которой вносит заметный вклад старший научный сотрудник лаборатории структуры и функции хромосом Санкт-Петербургского государственного университета кандидат биологических наук Алла КРАСИКОВА.
С автором работы, поддержанной грантом Президента РФ для молодых ученых, побеседовал наш корреспондент.
— Геном эукариотических организмов (то есть тех, в клетках которых имеется ядро, к ним относится и человек) представлен очень длинными, как правило, линейными, молекулами ДНК, которые формируют отдельные хромосомы, — рассказывает Алла Валерьевна. — Информации о последовательности ДНК недостаточно для того, чтобы понять, как она работает. Архитектура генома представляет собой дополнительный уровень регуляции его функций. В клеточном ядре молекулы ДНК находятся в очень компактном состоянии благодаря последовательной упаковке с участием специализированных белков, в первую очередь гистонов. Во время интерфазы (стадии активной работы клеточного ядра) с определенных участков генома считываются кодирующие белки РНК или регуляторные РНК. При этом такие участки генома раскрываются, чтобы предоставить доступ ферментам, считывающим генетическую информацию. Трехмерная архитектура генома в клеточном ядре, таким образом, тесно связана с активностью генов.
Согласно современным представлениям об архитектуре генома, хромосомы в интерфазном ядре не перемешаны хаотично (как спагетти в тарелке), а занимают определенные почти неперекрывающиеся территории. Уже известно, что обогащенные генами и относительно небольшие по размеру хромосомы, как правило, располагаются ближе к центру ядра, тогда как более крупные, содержащие меньшее число активных в данном типе клеток генов, обнаруживаются преимущественно на периферии.
Благодаря новым прорывным высокопроизводительным методам анализа межмолекулярных взаимодействий на уровне всего генома появилась возможность оценивать архитектуру всех геномных последовательностей в ядрах клеток даже в одном эксперименте. Было показано, что каждая хромосомная территория состоит из небольших глобулярных доменов, которые содержат около миллиона пар нуклеотидов.
Однако до сих пор остаются нерешенными многие вопросы о том, каким образом регулируется упорядоченная трехмерная организация генома в клеточном ядре. Почти неизвестны механизмы поддержания распределения хромосомных территорий. Не ясно, как изменения в архитектуре генома влияют на активность тех или иных генов.
— Какие же силы создают и поддерживают определенную архитектуру генома?
— В клетках различных тканей и на разных стадиях развития организма могут быть активны разные наборы генов, что приводит к изменению в упаковке и пространственной организации соответствующих участков хромосом. Кроме того, архитектура генома в ядрах клеток изменяется под воздействием различных стрессов, таких как тепловой шок, облучение и патологические состояния. Например, показано, что опухолевая трансформация клеток, а также некоторые другие заболевания могут быть связаны как с крупномасштабными изменениями в архитектуре генома, так и с перемещением в рамках отдельной хромосомной территории небольших участков хроматина (комплекс ДНК и белков).
Природой создан целый ряд механизмов, ответственных за поддержание архитектуры генома. Это, например, формирование крупных кластеров плотно упакованного хроматина, объединяющих районы сразу нескольких лежащих рядом хромосомных территорий. Кроме того, выяснилось, что определенные районы хромосом прикреплены к слою ламины (сети специализированных структурных белков), выстилающей и поддерживающей ядерную оболочку изнутри. Это приближает соответствующие хромосомные территории к периферии ядра, что затрудняет считывание с них наследственной информации. Уже известно, что открепление этих районов хромосом от ядерной оболочки и ламины приводит к нарушению работы комплекса генов и, как следствие, к разнообразным тяжелым патологиям (ламинопатиям). Другие хромосомные домены могут быть заякорены в центре ядра, вокруг так называемого ядрышка. Многие белки, взаимодействующие с хроматином, такие как способный к полимеризации ядерный актин, также предположительно влияют на укладку хромосом в ядре. Детали всех этих механизмов только начинают раскрываться.
Расшифровка генома человека показала, что доля уникальных последовательностей, кодирующих определенный белок, составляет в нем всего 2-3%. А значительная часть генома — это тандемно (последовательно) организованные повторы ДНК, которые не кодируют белки и формируют протяженные однородные массивы. У некоторых животных и растений их доля может достигать больше половины размера генома. Еще не так давно считалось, что некодирующие повторяющиеся последовательности ДНК не используются клеткой. Однако оказалось, что тандемные повторы ДНК несут целый ряд важных функций: защищают концы хромосом от укорочения, служат местом прикрепления веретена деления при расхождении хромосом по дочерним клеткам, участвуют в формировании специализированных доменов в ядре.
Долгое время ученые полагали, что тандемно повторяющиеся последовательности ДНК не активны, то есть не участвуют в синтезе каких-либо РНК. Однако еще в 1980-е годы стало известно, что с них также могут считываться молекулы РНК, которые не кодируют белки. Эти первые доказательства были получены при изучении работы активных участков генома в гигантских ядрах половых клеток самок амфибий, но долгое время им не придавали большого значения. В последние годы произошел всплеск исследований в области некодирующих РНК, считывающихся с тандемных повторов ДНК, что привело к смене парадигмы. Было обнаружено, что такие молекулы РНК помогают инактивировать определенные участки генома, регулируют работу фермента, удлиняющего концы хромосом, определяют места посадки специализированных белков в районы хромосом. Но многие функции таких регуляторных некодирующих РНК до сих пор остаются неизвестными.
— Какую проблему вы хотите решить своими исследованиями?
— Наша группа изучает принципы поддержания и динамики крупномасштабной архитектуры генома в трехмерном пространстве клеточного ядра. В частности, предполагаем узнать, какую роль в этих процессах играют тандемные повторы ДНК и считывающиеся с них некодирующие молекулы РНК. В качестве основных модельных объектов для решения этих задач мы выбрали ядра соматических клеток домашней курицы и японского перепела. Это связано с тем, что наборы хромосом, характерные для этих одомашненных видов птиц, сильно дифференцированы и представлены обогащенными генами микрохромосомами и обедненными генами макрохромосомами.
Пространственную организацию тандемных повторов ДНК в ядре клетки невозможно определить современными высокопроизводительными технологиями, так как они не позволяют получить данные о том, какая из повторяющихся единиц одного и того же повтора была детектирована в результате анализа. Кроме того, такие методы дают только усредненную информацию. Между тем архитектура генома в разных клетках даже в одной и той же популяции может значительно различаться. Поэтому трехмерное распределение тандемных повторов ДНК и их взаимодействие с другими геномными последовательностями в клеточном ядре мы будем анализировать, используя различные визуальные подходы, такие как флуоресцентная гибридизация нуклеиновых кислот и флуоресцентная CRISPR/Cas-система, с помощью которой можно ставить метки. О локализации тандемных повторов ДНК в ядре планируем также косвенно судить, проводя анализ специфично взаимодействующих с ними белков.
Тесная кооперация с научными группами из Нидерландов, Германии, Японии и других стран дает нам возможность применять сочетание разных подходов к решению одной и той же задачи. Так, благодаря сотрудничеству с Татсуо Фукагавой (Национальный институт генетики, Япония) мы имеем доступ к производным линиям клеток домашней курицы, в которых полностью удалены определенные интересующие нас гены, оказывающие влияние на архитектуру генома. Мы планируем, в частности, проверить, как меняется пространственная организация тандемных повторов ДНК в ответ на выключение генов некоторых актин-связывающих белков и ферментов, участвующих в производстве коротких регуляторных РНК.
В выполнение проекта вовлечены младшие научные сотрудники Антонина Маслова и Анна Злотина. Они проводят основные эксперименты по анализу распределения в интерфазном ядре различных тандемных повторов ДНК методами флуоресцентной гибридизации и конфокальной лазерной сканирующей микроскопии. Кроме того, в этом проекте принимает участие Ирина Трофимова, присоединившаяся к нашей группе благодаря программе постдоков СПбГУ. Значительная часть работы проводится на базе созданных в СПбГУ ресурсных центров, обеспечивающих доступ ко всему необходимому дорогостоящему оборудованию. Я выражаю признательность сотрудникам центров “Хромас” и “Развитие молекулярных и клеточных технологий”, входящих в состав научного парка СПбГУ, за квалифицированную техническую поддержку.
— Что уже сделано в рамках проекта?
— Получены результаты, показывающие, что разные типы тандемных повторов ДНК отвечают за заякоривание обедненных генами хромосом на периферии ядра, а обогащенных — в центральной части. Такое распределение в интерфазном ядре тандемных повторов ДНК может быть связано с различиями в модификациях белков-гистонов, участвующих в плотной упаковке ДНК. Проект начался в январе этого года, а средства в СПбГУ по гранту были, к сожалению, переведены только в конце мая, и наши исследования были существенно ограничены теми реактивами и другими расходными материалами, которые остались от выполнения предыдущих научно-исследовательских работ. Закупка и доставка новых расходных материалов займет несколько месяцев, поэтому полноценно приступить к решению всех задач проекта мы сможем только осенью. Надеемся, что проблемы, о которых идет речь, будут решены в ближайшее время.
На рисунке: Тандемные повторы ДНК половых хромосом Z и W курицы в интерфазном ядре
Беседовал
Василий ЯНЧИЛИН
Фотоснимки предоставлены А.Красиковой
Нет комментариев