Исследователи из Сколтеха и их коллеги оптимизировали анализ данных для метода изучения 3D-структуры ДНК в отдельных клетках мухи-дрозофилы. Новый подход позволяет ученым с большей уверенностью заглянуть в клетку, чтобы изучить способы упаковки ДНК, и приблизиться к пониманию основных механизмов этого крайне важного процесса. Статья была опубликована в журнале Nature Communications.
Почти двухметровая нить ДНК помещается в крошечное ядро человеческой клетки благодаря тому, что хроматин, комплекс ДНК и белков, сворачивает ее в компактные, но сложные структуры. Для изучения способов упаковки ДНК ученые во всем мире используют так называемые методы фиксации конформации хромосом (3C), и один из наиболее производительных из них — это метод Hi-C. Hi-C позволяет обнаружить контакты ДНК всего генома с помощью высокопроизводительного секвенирования.
В этом, однако, и заключается проблема: для работы Hi-C необходимы десятки микрограммов ДНК — то есть миллионы клеток с уникальной пространственной организацией хроматина. Эту информацию приходится усреднять, чтобы получить общую картину, которая не будет учитывать особенности упаковки ДНК в отдельных клетках. Подобно тому, как «среднестатистического человека» на самом деле не существует, традиционный метод Hi-C не может показать, какие именно из множества взаимодействий участков ДНК происходят одновременно в одной и той же клетке. Кроме того, этот «коллективный портрет» вряд ли поможет понять, какие физические процессы приводят к формированию той или иной трехмерной структуры хроматина.
«Мы видим некоторые структуры, например, так называемые топологически ассоциированные домены (ТАДы), в усредненных картах контактов ДНК, но мы не знаем, действительно ли они существуют в отдельных клетках, или же это артефакты усреднения. Кроме того, мы знаем, что с точки зрения экспрессии генов большое разнообразие встречается даже в клетках одной и той же ткани — отсюда возникает естественный вопрос о том, насколько они разнообразны на структурном уровне», — говорит соавтор статьи Михаил Гельфанд, вице-президент Сколтеха по биомедицинским исследованиям.
Чтобы разрешить эти проблемы и сделать эксперимент Hi-C более подходящим для отдельных клеток, исследователи нескольких институтов разработали метод, получивший название Hi-C одиночных клеток. Команда Сколтеха во главе с Гельфандом и доцентом Центра наук о жизни Сколтеха Екатериной Храмеевой поставила перед собой задачу оптимизировать обработку данных для Hi-C одиночных клеток и изучить фундаментальные свойства клеток дрозофилы.
Их коллеги из Института биологии гена РАН и Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова совместно с сотрудниками российско-французского Междисциплинарного научного центра Понселе оптимизировали метод, чтобы сделать его пригодным для экспериментов с клетками дрозофилы.
Команды начали со стандартных шагов метода Hi-C, при котором структура хроматина фиксируется химически, а ДНК разрезается и «пересобирается» так, чтобы фрагменты, которые в естественных условиях находились рядом, оказывались «сшитыми». Но затем вместо того, чтобы использовать сразу всю ДНК, ученые амплифицировали крошечное количество ДНК из каждой клетки с помощью полимеразы бактериофага phi29. Эта полимераза часто используется при амплификации ДНК, отчасти благодаря ее способности создавать большое количество ДНК даже по очень маленькому образцу с куда меньшим количеством ошибок, чем у других популярных полимераз.
Однако оказалось, что эта удобная ДНК-полимераза, несмотря на достаточно высокую точность копирования, все же может случайным образом «прыгать» между молекулами ДНК, создавая искусственные связи, которые алгоритм Hi-C не может отличить от настоящих взаимодействий. Поэтому исследователям пришлось придумать механизм отбраковки этих случайных «прыжков» полимеразы.
Они использовали свой новый метод на клетках дрозофилы, чтобы выяснить, имеют ли различные организмы общие фундаментальные принципы упаковки хроматина. Предыдущие исследования на клетках млекопитающих указывали на существование ТАДов только на контактных картах, получаемых популяционного Hi-C, но не в отдельных клетках. Однако изучение клеток дрозофилы показало, что эти домены есть и в каждой конкретной клетке. Чтобы понять, какой биологический механизм отвечает за формирование этих устойчивых доменов, потребуются дополнительные исследования; пока ученые предложили две модели их возникновения. Одна из них предполагает, что хроматин у дрозофилы организован по механизму «липкости», то есть некоторые его участки с большей вероятностью соединяются друг с другом. Согласно другой, описывающей так называемый механизм экструзии петель, крупные белковые комплексы создают петли из нити ДНК и за счет этого упаковывают ДНК.
«Возможно, один из самых интересных вопросов заключается в том, одинаковы ли правила сворачивания хроматина у разных видов живых организмов. С помощью метода Hi-C одиночных клеток дрозофилы мы выяснили, что в геноме этого насекомого тоже присутствуют домены, похожие на домены в клетках млекопитающих. Однако эти структуры гораздо более упорядочены, чем у млекопитающих», — отмечает Александра Галицына, аспирантка Сколтеха и один из первых авторов статьи.
«Мы продолжим изучение архитектуры хроматина и механизмов формирования петель и ТАДов. В этой области еще много вопросов без ответов. Мы уже знаем, что эти механизмы у некоторых организмов могут различаться, но что представляет собой эволюция сворачивания хроматина в целом? Если мы хотим понять это на достаточном уровне детализации, нам нужно заполнить пробелы, изучая структуру хроматина у странных организмов, а не только у тех, что уже хорошо исследованы. Поэтому мы уже работаем с морскими губками, дрожжами и амебами», — говорит Екатерина Храмеева.
По ее словам, группа также занимается возможной связью изменений в организации хроматина с болезнями, развитием организма и старением. «Если предположить, что архитектура хроматина тесно связана с экспрессией генов, то, ответив на эти вопросы, мы сможем разобраться в регулировании развития человеческого организма, старения и заболеваний», — отмечает Храмеева.
В исследовании приняли участие специалисты Института биологии гена Российской академии наук, Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова, Национального центра научных исследований Франции, российско-французского Междисциплинарного научного центра Понселе и других организаций.
*****
Сколтех – негосударственный международный университет. Созданный в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом (MIT), Сколтех готовит новое поколение лидеров в области науки, технологий и бизнеса, проводит исследования в прорывных областях и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром. Сколтех развивает шесть приоритетов: наука о данных и искусственный интеллект, науки о жизни и здоровье, современные методы проектирования и перспективные материалы, энергоэффективность, фотоника и квантовые технологии, перспективные исследования. Усилия Сколтеха призваны способствовать укреплению технологического превосходства России в приоритетных направлениях.
