На протяжении десятилетий ученые рассматривали геном только что оплодотворенной яйцеклетки как структурный «чистый лист» — беспорядочный клубок ДНК, ожидающий, пока эмбрион «проснется» и начнет читать свои собственные генетические инструкции. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Genetics, профессор Хуанма Вакеризас и его команда обнаружили, что удивительный уровень структуры уже существует. Они разработали прорывную технологию под названием Pico-C, которая позволяет ученым видеть трехмерную структуру генома с беспрецедентной детализацией.
Используя эту методику, они обнаружили, что задолго до полного пробуждения генома — критического события, известного как активация зиготического генома , — уже формируется сложная трехмерная структура ДНК. Понимание того, как ДНК сворачивается в пространстве, имеет важное значение, поскольку это контролирует, какие гены могут быть активированы во время развития, помогая клеткам правильно функционировать и предотвращая дефекты развития и заболевания.
«Раньше мы считали период до пробуждения генома временем хаоса, — объясняет Нура Мазиак, ведущий автор исследования. — Но, присмотревшись внимательнее, чем когда-либо прежде, мы видим, что на самом деле это высокоорганизованная строительная площадка. Каркас генома возводится точным, модульным способом задолго до того, как будет полностью включен выключатель».
Пико-С: Больше возможностей при меньших затратах
Открытие было сделано командой исследователей на примере плодовой мухи (Drosophila). В первые несколько часов после оплодотворения эмбрион мухи проходит быструю серию ядерных делений, в результате которых образуются тысячи клеток. Именно эта высокоскоростная среда делает плодовую муху идеальным объектом для изучения основ генетики.
Используя свою сверхчувствительную технологию Pico-C, они картировали трехмерную структуру генома плодовой мухи на ранних стадиях развития. Они обнаружили, что трехмерные петли и складки ДНК следуют модульной логике, позволяя различным входным сигналам регулировать определенные части генома. Это сложная архитектурная программа, которая гарантирует, что информация, закодированная в геноме, готова к действию в тот момент, когда она необходима.
Помимо получения высокоточных данных о форме ДНК, метод Pico-C требует лишь ничтожно малого количества образца — в десять раз меньше, чем стандартные методы. Это открывает возможности для более детального изучения того, как сворачивание ДНК влияет на регуляцию генов и каковы его последствия для многих заболеваний, чем это было возможно ранее.
От эмбрионов мух до здоровья человека
Хотя «чертеж» этой архитектуры был обнаружен у плодовых мушек, важность ее поддержания напрямую применима и к человеку. В сопутствующем исследовании, опубликованном в журнале Nature Cell Biology под руководством профессора Ульрике Кутай и ее коллег из ETH Zürich в Швейцарии, команда применила это высокоточное картирование к клеткам человека.
Они исследовали, что происходит, когда удаляются «якоря», удерживающие эту трехмерную структуру на месте. Результаты оказались поразительными: когда архитектура разрушается , человеческая клетка ошибочно принимает структурную поломку за вирусную атаку. Это запускает врожденную иммунную систему клетки, подавая ложный сигнал тревоги, который может привести к воспалению и заболеванию.
«Эти два исследования рассказывают полную историю, — говорит Хуанма. — Первое показывает нам, как тщательно формируется трехмерная структура генома на заре жизни. Второе демонстрирует катастрофические последствия для здоровья человека, если этой структуре будет позволено разрушиться».
