На модели хромосом типа «ламповые щетки» ученые ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» вместе с коллегами из Санкт-Петербургского государственного университета показали, что белковый комлекс когезивный когезин может служить мощным препятствием для упаковки ДНК и формировать жесткие границы между участками генома. Это открывает новый взгляд на то, как трехмерная архитектура ДНК управляет включением и выключением генов в клетке. Результаты исследования опубликованы в журнале Nucleic Acids Research.
В ооцитах курицы при созревании яйцеклетки хромосомы принимают особую форму: становятся похожи на палочки с крупными боковыми петлями — это активно транскрибируемые гены, по которым постоянно «едут» сотни удлинняющих РНК полимераз.
«Мы изучали не то, зачем нужны хромосомы типа “ламповые щетки”, а как они устроены и почему выглядят именно так. Давно было понятно из биофизики, что огромные “шубы” из РНК и белков на активно работающих генах должны отталкиваться и выпетливаться наружу. В своем исследовании мы это подтвердили и моделями, и цитологически», — объяснил один из авторов исследования, сотрудник лаборатории геномных технологий для медицинской генетики Тимофей Аркадьевич Лагунов.
Авторы работы совместили данные геномики (Hi-C, single-cell Hi-C, анализ метилирования ДНК, транскриптомики) и микроскопии с детальным биофизическим моделированием. Результаты продемонстрировали, что РНК-полимеразы, продвигаясь по активному гену, сметают большинство белков на своем пути, но не могут разорвать когезиновые кольца, которые удерживают вместе две сестринские хроматиды. Эти кольца сдвигаются к концам активных генов и накапливаются там, мешая другим белкам свернуть ДНК более компактно.
«Наше моделирование показало, что когезиновые кольца могут настолько сильно препятствовать компактизации, что в случае хромосом типа “ламповые щетки” они формируют очень жесткие границы между участками ДНК. Проявления эффекта с такой силой до нас никто не описывал», — рассказал Тимофей Лагунов.
Одновременно рядом с активными генами скапливаются массы только что синтезированной РНК с белками, создавая избыточное давление в локальном объеме. В итоге участки ДНК, свободные от когезина, выталкиваются наружу в виде крупных петель, а между ними участки, прошитые кольцами, остаются компактными и формируют характерный рисунок хромомеров.
Сам этот рисунок был известен и ранее, но в своей модели исследователи объяснили механизм, благодаря которому он удивительно воспроизводим у разных особей одного вида: архитектура хромосом-«ламповых щеток» у разных куриц на этой стадии созревания ооцита практически совпадает, что необычно для обычных соматических хромосом, где структура гораздо более динамична.
Ключевой вклад работы — в демонстрации того, что белковый комплекс когезивный когезин сам по себе может быть важным фактором, задающим трехмерную архитектуру генома, а через нее и режим работы генов. «То, что когезины есть в осях хромосом, было известно давно. Но то, что они могут служить таким сильным препятствием для компактизации хроматина, причем настолько, что в “ламповых щетках” формируют жесткие границы между участками ДНК, — это новый результат», — подчеркнул Тимофей Лагунов. Компьютерная модель позволила включать и выключать эффект препятствия и тем самым напрямую проверить, насколько сильно когезин меняет структуру хромосомы.
Хотя «ламповые щетки» встречаются в основном у яйцекладущих и мечущих икру организмов и наблюдаются только в ооцитах на определенной стадии мейоза, авторы работы считают, что выявленный механизм имеет более общий характер. В любой клетке позвоночных после удвоения ДНК новые копии временно соединены этим белковым комплексом, и вопрос компактной упаковки генома тесно связан с тем, где и как располагаются эти кольца. С учетом того, что работа генов и ошибки в упаковке ДНК лежат в основе многих заболеваний, понимание роли когезивного когезина в формировании трехмерной структуры генома важно не только для фундаментальной биологии, но и для будущих медицинских исследований.
Пресс-служба ФИЦ ИЦиГ СО РАН
