Группа исследователей Федерального исследовательского центра Институт цитологии и генетики СО РАН с помощью технологии Hi-C изучила пространственную организацию генома зрелых сперматозоидов мыши. Ученые из ИЦиГ СО РАН показали: несмотря на все особенности сперматозоида, его геном, в общем, организован так же, как и у остальных клеток, а значит, он передает в следующее поколение не только собственно генетическую информацию в виде ДНК, но и сведения о трехмерной форме этой молекулы. Помимо этого они установили, что пространственная организация ДНК коренным образом влияет на активность генов. Результаты своей работы они опубликовали в журнале Genome Biology.

Нариман Баттулин (фото предоставлено исследоват...

Нариман Баттулин (фото предоставлено исследователем)

Ученые представляли геном, как моток спутанных в кармане наушников, а оказалось, что он больше напоминает шкафчик прилежной хозяйки — все ниточки свернуты в клубочки и аккуратно разложены по полочкам. А такие необычные клетки, как сперматозоиды, передают потомству не только набор всяких-разных отцовских качеств, но и этот самый «ген порядка».

В микроскопическом ядре каждой клетки нашего организма упакована цепочка ДНК длиной в 1,5 метра. Для того чтобы туда уместиться, она во много раз складывается и комкается. Раньше ученые не знали по каким законам упаковывается ДНК и считали, что это происходит хаотично и конечный результат напоминает моток перепутанных проводов, в который превращаются наушники в кармане. Однако в последние 5 лет с помощью новой технологии, которую назвали Hi-C, было показано, что на самом деле все гораздо более структурированно — ДНК в ядре разделена на отдельные «клубки», которые назвали топологическими доменами. Их в клетке насчитывается около 2-х тысяч. Гены, расположенные в одном домене, регулируются совместно, и если там произошел сбой, зачастую это не мешает нормально работе гена в соседнем. Такая пространственная организация ДНК обнаружена не только у человека, но и у мыши, мухи дрозофилы. Биологи предполагают, что она является общей чертой генома всех живых существ.

Технология Hi-С нужна, чтобы понять, как ДНК сгибается, какие молекулы в ядре сближены, а какие, наоборот, находятся в разных концах. Исследование происходит следующим образом: сначала ДНК режут в разных местах, а потом она зашивается вновь, но делает это уже не в том порядке, в каком была изначально. Соединяются, прежде всего, те концы, которые когда-то были расположены близко друг к другу в пространстве. Таким образом, когда ученые начинают прочитывать ДНК и видят, что образовалась какая-то новая связь, они делают вывод, что эти районы в ядре находятся рядом.

«Ребята, которые открыли Hi-C, посмотрели достаточно много типов клеток, в том числе и головного мозга, кожи, других органов. Оказалось, «клубочки» ДНК организованы везде более-менее одинаково. Про сперматозоид же давно известно, что его ядро намного меньше, то есть там структура должна быть устроена гораздо компактнее. Ученые не знали: если все это сжать, оно там сохранится или нет? Ведь топологические домены очень сильно влияют на активность генов. Их нарушение вызывает мутации, болезни. Кроме того, при условии, что в сперматозоиде эта структура не сохраняется, было бы непонятно, откуда она возникает, каким образом ДНК плода узнает о том, в какой клубочек сворачиваться, а в какой не стоит?», — рассказывает научный сотрудник лаборатории генетики развития ФИЦ ИЦИГ СО РАН кандидат биологических наук Нариман Рашитович Баттулин.

Сперматозоиды — очень необычный тип клеток: единственная их функция заключается в том, чтобы доставить отцовский геном в яйцеклетку и дать начало новому поколению. Для выполнения этой задачи в зрелом сперматозоиде все гены перестают работать, ДНК связывается со специальными белками, и геном укладывается максимально плотно.

«Наша работа фундаментальная. Казалось бы, есть ли разница, как у вас уложены наушники? Они свою функцию выполняют в любом случае. Для гена это не так. Здесь очень важно, в каком топологическом домене он находится. Если структура таких соединений будет нарушена, в результате, например, хромосомных мутаций (случается так, что два «клубочка» сливаются в один, граница между ними вылетает, и в итоге начинают взаимодействовать гены, которые раньше друг на друга никак не влияли), это вызовет очень серьезные последствия, вплоть до полидактилии (множественности пальцев), — говорит Нариман Баттулин. — Также описанные процессы оказывают влияние на развитие онкологических заболеваний. Если в обычных клетках 46 хромосом всегда и везде, то когда начинает делиться раковая, у нее хромосомы рвутся, объединяются заново, возникает страшная мешанина, при этом пространственная организация тоже нарушается. Из-за таких перестроек, гены, вызывающие активное «размножение» клеток, попадают под влияние других, которые в норме не взаимодействуют с ними, что является одной из возможных причин роста опухоли. Если мы будем понимать, как это происходит, мы сможем лучше представлять, что делать».

Работа со сперматозоидами еще не закончена. Сейчас ученые намерены изучать их в подробностях. «Дело в том, что ДНК — довольно большая молекула: 3 миллиарда пар буковок, грубо говоря. Мы же пока посмотрели ее в разрешении одного миллиона, а сейчас пытаемся уйти глубже и разобраться в этом вопросе более детально. У сперматозоидов укладка немного отличается от всех остальных клеток: если у последних белок, с которым связывается ДНК — это гистон, то здесь — протамин. Известно, что он формирует своеобразные «бублики». В нашей работе мы хотели посмотреть, как они меняют структуру ДНК, но не смогли — нам не хватило разрешения», — рассказывает Нариман. — Мой соавтор аспирант Вениамин Семенович Фишман любит давать такую аналогию: «Все хотят посмотреть футбольный матч, как болельщики на футбольном поле, а мы пока увидели все это, будто со спутника».

Текст подготовила Диана Хомякова