Хромосомы-«ламповые щётки» раскрыли новый фактор, управляющий архитектурой ДНК

На модели хромосом типа «ламповых щёток» ученые Института 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 «жёсткие границы» между участками генома. Это открывает новый взгляд на то, как трёхмерная архитектура ДНК управляет включением и выключением генов в клетке. Результаты исследования опубликованы в журнале Nucleic Acids Research (https://academic.oup.com/nar/article/54/7/gkag316/8653609).

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 ламповых щёток, 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 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 своём 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 ламповых щёток они формируют очень жёсткие границы между участками ДНК. Проявления эффекта с такой силой до нас никто не описывал», – рассказал Лагунов.

Одновременно, рядом с активными генами скапливаются массы только что синтезированной РНК с белками, создавая избыточное «давление» в локальном объёме. 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 трёхмерную архитектуру генома, а через неё – 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, причём настолько, что в ламповых щётках формируют жёсткие границы между участками ДНК, – это новый результат», – подчеркнул исследователь.

Компьютерная модель позволила «включать» и «выключать» эффект препятствия и тем самым напрямую проверить, насколько сильно когезин меняет структуру хромосомы.

Хотя ламповые щётки встречаются в основном у яйцекладущих и мечущих икру организмов и наблюдаются только в ооцитах на определённой стадии мейоза, авторы 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 учётом того, что работа генов и ошибки в упаковке ДНК лежат в основе многих заболеваний, понимание роли когезивного когезина в формировании трёхмерной структуры генома важно не только для фундаментальной биологии, но и для будущих медицинских исследований.

Рисунок предоставлен Тимофеем Лагуновым

(подпись): Построив 3D-модель хромосомы, российские ученые раскрыли новые факторы, влияющие на формировании укладки генома в ядре клетки

Пресс-служба Института цитологии и генетики СО РАН