Информация о геноме человека кодируется примерно 3 миллиардами пар оснований ДНК и упакована в 23 пары хромосом. Если бы все хромосомы можно было распутать и выровнять линейно, они были бы тонкой нитью длиной около 2 метров. Молекула ДНК должна быть тщательно упакована, чтобы поместиться внутри ядра, размер которого находится в диапазоне микрометров.

Нить ДНК не просто вставлена ​​в ядро ​​клетки. Вместо этого он очень организован, чтобы гарантировать, что разные части генома, иногда на расстоянии нескольких тысяч пар оснований друг от друга, могут взаимодействовать друг с другом для выполнения соответствующих функций генов »

Никола Иовино, руководитель группы, MPI иммунобиологии и эпигенетики во Фрайбурге

Частью этой упаковки являются гистоновые белки, действующие как катушки, вокруг которых наматывается ДНК и, таким образом, уплотняется. Этот комплекс ДНК и белков называется хроматином. Таким образом, хроматин является основой для дальнейшей упаковки генетического материала в хромосомы, структура которых в основном известна своей характерной крестообразной формой. Сами хромосомы занимают отдельные позиции в ядре, известные как хромосомные территории, которые также обеспечивают эффективную упаковку и организацию генома.

Полный механизм, способствующий этой организации трехмерного хроматина, остается неизученным. Теперь лаборатория Никола Иовино в MPI во Фрайбурге в сотрудничестве с Лукой Джорджетти из Института Фридриха Мишера в Базеле (Швейцария) смогла показать фундаментальную роль гетерохроматинового белка 1a (HP1a) в реорганизации трехмерного хроматина. структура после оплодотворения.

Объединив мощную генетику дрозофилы с трехмерным моделированием генома, они обнаружили, что HP1a необходим для установления правильной трехмерной структуры хроматина на нескольких иерархических уровнях во время раннего эмбрионального развития.

Ранние эмбрионы как модель для изучения репрограммирования хроматина

На степень упаковки, а также на соответствующую активность гена влияют эпигенетические модификации. Это небольшие химические группы, которые установлены на гистонах. «Белки, которые осуществляют эти эпигенетические модификации, можно рассматривать как записывающие, стирающие или считывающие данные данной эпигенетической модификации. Мы обнаружили, что считывающий белок HP1a необходим для установления структуры хроматина во время раннего эмбрионального развития у дрозофилы», – говорит Фидес Зенк. , первый автор исследования.

Раннее эмбриональное развитие представляет собой особенно интересное временное окно для изучения процессов, управляющих организацией хроматина. При оплодотворении две высокоспециализированные клетки – сперматозоид и яйцеклетка – сливаются. Образовавшаяся тотипотентная зигота в конечном итоге даст начало всем различным клеткам тела.

Интересно, что большинство эпигенетических модификаций, которые формируют хроматин, стираются и должны быть установлены de novo. У дрозофилы лаборатория Никола Иовино ранее показала, что после оплодотворения хроматин подвергается серьезным событиям реструктуризации. Таким образом, это идеальная модельная система для изучения процессов, лежащих в основе установления структуры хроматина.

De novo создание трехмерной архитектуры генома

Когда геном зиготы активируется впервые после оплодотворения, он запускает глобальную реорганизацию трехмерного хроматина de novo, включая кластеризацию сильно уплотненных областей вокруг центромеры (перицентромеры), складывание плеч хромосом и сегрегацию хромосом на активные и неактивные отсеки. «Мы определили HP1a как важный эпигенетический регулятор, необходимый для поддержания целостности отдельных хромосом, но также центральный для установления глобальной структуры генома в раннем эмбрионе», – говорит Никола Иовино.

Трехмерное моделирование генома

Эти находки и данные, собранные на эмбрионах дрозофилы, затем были использованы сотрудниками Института Фридриха Мишера (FMI) под руководством Луки Джорджетти для построения реалистичных трехмерных моделей хромосом. Это возможно, потому что хромосомы внутри ядра клетки представляют собой полимеры, очень большие молекулы, состоящие из цепочек более мелких компонентов (мономеров) – в данном случае последовательных пар оснований ДНК и ДНК-связывающих белков, которые вместе составляют хроматиновое волокно. Как и все другие полимеры, будь то шелк, полиэтилен или полиэфир, хроматин подчиняется общему набору физических законов, описываемых разделом физики, известным как «физика полимеров». Эти законы могут быть закодированы в компьютерные программы и использованы для моделирования трехмерной формы хромосом в ядре.

«Преимущество этого подхода состоит в том, что он позволяет моделировать эффекты очень большого количества мутаций. Это позволяет исследователям исследовать сценарии, находящиеся за пределами экспериментальной досягаемости, такие как одновременное истощение множества различных белков, что потребует многих лет лабораторных исследований. «Сравнивая моделирование с результатами экспериментов, этот подход также позволяет проверить альтернативные гипотезы относительно механизмов, лежащих в основе экспериментальных наблюдений», – говорит Лука Джорджетти, руководитель группы в Институте Фридриха Мишера в Базеле

.

В этом случае исследователи FMI использовали полимерные модели всего генома дрозофилы, чтобы задать вопрос: возможно ли, исходя из основных законов физики полимеров, истощение одного белка – HP1 – к огромным изменениям в ассоциации и форма хромосом в ядре? Или нужны дополнительные механизмы для объяснения экспериментальных наблюдений? «Мы обнаружили, что удаление белка на его сайтах связывания в моделировании объясняет полный набор экспериментальных результатов, тем самым обеспечивая дополнительное подтверждение того, что HP1 играет ключевую роль в установлении трехмерной структуры генома», – говорит Иньсю Чжан, соавтор. -первый автор исследования.