Российские ученые исследовали самые ранние стадии эмбриогенеза: новая методика
Исследования биологов МГУ имени М.В. Ломоносова подтвердили предложенную ранее модель, постулирующую, что при сохранении общих принципов упаковки генома, характер укладки хроматиновой фибриллы в индивидуальных клетках может существенно различаться. Получение этих результатов стало возможным благодаря тому, что авторы разработали новый экспериментальный подход для исследования пространственной организации генома в ядрах индивидуальных клеток. Результаты исследований опубликованы в журнале Nature. Работа выполнена совместно с Институтом биологии гена РАН и коллегами из Австрии и США.
В ядрах клеток молекулы ДНК упакованы в особые структуры, хромосомы, которые можно представить себе как сложные, но не случайным образом спутанные клубки. Вещество хромосом, представляющее собой в основном комплекс ДНК, РНК и белков, называется хроматином. Биологи разработали новую методику изучения того, как хроматин упакован в ядре живой клетки. Эта методика является значительно усовершенствованным вариантом классического подхода к исследованию трехмерной структуры генома — Hi-C (high-throughput chromosome conformation capture).
«Возьмем три условных участка ДНК: А, B и С. Первые два расположены друг за другом в геноме — они соседи, а третий, предположим, находится от них на расстоянии в несколько миллионов пар нуклеотидов. Но хромосома может быть так упакована, что фрагмент С окажется рядом с А или В в пространстве. Мы можем установить этот факт (не для трех случайных участков ДНК, а в масштабе всего генома одновременно) и использовать эту информацию для построения карт пространственной структуры хроматина в живой клетке, так работает метод Hi-C», рассказывает один из авторов работы, кандидат биологических наук Сергей Ульянов.
В стандартном методе Hi-C для проведения одного эксперимента, как правило, требуется несколько сотен тысяч и даже миллионов клеток. Однако новая методика позволяет работать с одной отдельно взятой клеткой и составлять ее индивидуальную карту трехмерной структуры хромосом. Основным новшеством в этой методике является отбор единичных ядер на заключительном этапе Hi-C-эксперимента и проведение так называемой полногеномной амплификации — процесса, в котором с использованием особого фермента можно получить десятки тысяч копий ДНК из одного клеточного ядра.
«Это ключевой этап нашей технологии. Полногеномная амплификация позволяет напрямую работать с геномами индивидуальных клеток, секвенировать их и проводить любые другие манипуляции, в том числе исследовать трехмерную организацию хроматина в одной отдельно взятой клетке. Так называемые single-cell технологии, то есть исследования и манипуляции с единичными клетками, сейчас являются бурно развивающейся областью молекулярной биологии», говорит Ульянов.
С помощью нового метода ученые смогли изолировать из мышиных зигот отдельно материнское ядро и отцовское и посмотреть, чем пространственная организация материнского генома отличается от отцовского.
«Мы провели анализ пространственной организации генома в зиготах мыши. Оказалось, что ядра, мужское и женское, которые сосуществуют в одной клетке, в зиготе, принципиально различаются по тому, как в них уложен геном. В ядре, сформировавшемся из ядра сперматозоида, активные участки генома в пространстве отделены от неактивных, а в ядре с материнским геномом этого не наблюдается. Во всех предыдущих исследованиях в клетках млекопитающих это разделение имело место, так что это очень неожиданный результат», поясняет один из авторов статьи, Илья Флямер. Таким образом, новый метод позволяет исследовать самые ранние стадии эмбриогенеза, сразу после оплодотворения.
«Поскольку зигота — это тотипотентная клетка, которая может дать начало любому типу клеток в организме, возможно, полученные результаты помогут понять природу тотипотентости и дадут возможность приблизиться к более полному перепрограммированию соматических клеток, чем при создании индуцированных плюрипотентных стволовых клеток», говорит Илья Флямер.
Пространственная организация хроматина является важным регуляторным инструментом, который клетка использует для управления экспрессией генов. В последнее время в научной литературе появляется все больше сообщений о том, что нарушения нормальной упаковки ДНК в ядре связаны с рядом тяжелых заболеваний человека и в первую очередь с некоторыми раковыми опухолями. Технология Hi-C на единичных клетках в будущем позволит исследовать отдельные, в том числе крайне немногочисленные, субпопуляции раковых клеток в составе опухолей и, возможно, приблизит нас к понимаю механизмов возникновения злокачественных новообразований.
Материалы предоставлены пресс-службой МГУ.
