Неактивная Х-хромосома долгое время считалась довольно аморфной уплотненной структурой, но новое исследование, опубликованное в Nature, обнаруживает высокоорганизованную хромосому, состоящую из двух отдельных долей конденсированной неактивной ДНК с более мелкими структурированными доменами активной ДНК, встроенными в них. Эти меньшие домены, называемые топологически ассоциированными доменами, представляют собой четко определенные генетические «окрестности» и обнаруживаются также на других хромосомах.
Эти домены играют важную роль в экспрессии генов, и их присутствие в ином неактивном теле Барра было неожиданным.«Это наиболее подробное молекулярное изображение ДНК внутри тела Барра, которое мы смогли получить», — сказал Джоб Деккер, доктор философии, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза, профессор биохимии. молекулярная фармакология и содиректор Программы по системной биологии. «Под микроскопом неактивная Х-хромосома сильно отличается от других хромосом; она выглядит как конденсированная, неопределенная, неактивная« капля ». Наше исследование, использующее ряд экспериментальных подходов, включая методы визуализации и геномные методы, описывает нечто совершенно иное: высокоорганизованную и сложную структуру, богатую функциями, которые могут заглушить или активировать гены по всей хромосоме ».Хотя ДНК состоит из линейной последовательности оснований, она не существует внутри ядра клетки в простой, прямой форме.
Вместо этого геном сворачивается и возвращается в петли, чтобы он мог уместиться в тесных пределах ядра. Его форма сильно влияет на то, какие гены в клетке включаются или выключаются. Чтобы правильно понять, как работает геном для координации экспрессии генов, необходимо понять, как геном организован в пространстве внутри клеток.Что касается неактивной Х-хромосомы, ученые знают, что самки млекопитающих содержат две Х-хромосомы, одна из которых «выключена», чтобы избежать сверхэкспрессии генов.
Эта неактивная Х-хромосома может быть четко видна под микроскопом в виде плотного, бесформенного темного пятна, называемого тельцом Барра. Считается, что плотная форма тела Барра является результатом его большей неактивности. Но точную структуру тела Барра, то, как оно конденсируется и почему некоторые части ДНК остаются активными, было очень сложно исследовать с использованием даже самых передовых технологий визуализации, а в последнее время — с помощью геномных подходов, основанных на захвате конформации хромосом.
Пионер в изучении трехмерной структуры генома, доктор Деккер разработал набор технологий захвата конформации хромосом — биохимических методов для определения того, как сегменты ДНК взаимодействуют и связаны друг с другом, которые являются сердцем Инструменты «3C», «5C» и «Hi-C», используемые исследователями во всем мире для картирования трехмерной организации хромосом внутри клеток. Используя технологию Hi-C, Деккер и его коллеги смогли построить подробное изображение формы и архитектуры неактивной Х-хромосомы.
Чтобы разгадать структуру неактивной Х-хромосомы, Деккер и его коллеги сначала столкнулись с некоторыми серьезными препятствиями. Одна проблема, по словам Брайана Р. Ладжуа, биоинформатика из лаборатории Деккера, заключается в том, что практически невозможно отличить неактивную Х-хромосому от активной Х-хромосомы, учитывая, что они имеют практически одинаковую последовательность. «Моделям мышей, которые мы используем в лаборатории, не хватает генетического разнообразия, необходимого нам для того, чтобы проводить такие различия», — сказал он.«Чтобы правильно определить трехмерную структуру хромосом с помощью технологии секвенирования Hi-C, мы скрестили две разные линии мышей и создали новый вычислительный подход, используя естественные мутации в одной из X-хромосом в качестве ориентиров», — сказал Ладжуа. . «Заполнив пробелы с помощью вычислений, мы смогли соединить достаточно точек, чтобы начать построение трехмерной модели неактивного X внутри тела Барра».
Они обнаружили, что тело Барра не было единой плотной массой ДНК, а вместо этого состоит из двух отдельно упакованных долей, разделенных очень повторяющимся сегментом ДНК, называемым макросателлитным повтором, который встречается только в нескольких местах генома. Деккер предполагает, что эти макросателлитные повторы ответственны за упаковку и организацию ДНК внутри тела Барра. Когда команда использовала технологию CRISPR для хирургического удаления макросателлитного повтора из хромосомы, они обнаружили, что двухлепестковая структура исчезла.
«Примечательно, что один элемент может иметь такое глобальное влияние на форму и функцию хромосомы», — сказала Эдит Херд, доктор философии, заведующая кафедрой эпигенетики и клеточной памяти в Институте Кюри в Париже.Хотя в основном они неактивны, внутри долей все еще есть кластеры генов, которые экспрессируются. Эти гены находятся внутри топологически ассоциированных доменов (TAD), которые организуют геном в районы, разделенные границами, богатыми белками CTCF, которые подавляют транскрипцию. Это открытие предполагает, что TAD играют роль в организации экспрессии генов в неактивных долях молчащей Х-хромосомы.
«Чтобы ген мог быть экспрессирован внутри неактивного тела Барра, он должен быть расположен внутри TAD. Возможно, что TAD могут играть своего рода защитную роль, позволяя генам быть доступными для экспрессии, даже если они расположены внутри конденсированная и неактивная хромосома », — сказал Деккер.
Этот прорыв делает неактивную Х-хромосому мощной и уникальной модельной системой для изучения взаимосвязи между пространственной организацией генома и экспрессией генов и поможет ученым больше узнать о том, как геном работает внутри живых клеток.