3D-геномика помогает понять, как работают наши гены

Исследования пространственной конфигурации ДНК в хромосомах выявили неожиданные, раннее не известные причины возникновения тяжелых заболеваний человека.

Возникновение трехмерной геномики

На протяжении десятков лет, прошедших с момента доказательства генетической функции ДНК в сороковых годах прошлого века, неизменными оставались представления о том, что мерой расстояния между любыми участками генома является протяженность разделяющей их цепочки ДНК. Сегодня мы знаем, что способность ДНК образовывать петли и другие сложные структуры дает возможность генам и элементам генома, управляющим их работой (энхансерам), оказываться поблизости друг от друга в пространстве клеточного ядра даже в том случае, если они разделены протяженным фрагментом ДНК (рис.1).

В последние годы появились новые подходы, позволяющие изучать укладку геномной ДНК в клеточном ядре. Это положило начало развитию научного направления, которое мы называем 3D-геномикой. С использованием этих подходов было показано, что хромосомы разделены на структурно-функциональные блоки — топологически-ассоциированные домены (ТАДы). Участки генома из одного ТАДа контактируют друг с другом гораздо чаще, чем с участками из соседних ТАДов. Это позволяет представить ТАДы в виде относительно плотных клубков нити ДНК. Результаты многих экспериментов показывают, что энхансер может активировать только гены, расположенные внутри того ТАДа, где находится его энхансер.

Таким образом, ТАДы играют важную роль в управлении активностью генов. Удаление или повреждение участка ДНК, разделяющего соседние ТАДы, приводит к тому, что энхансер получает возможность активировать гены, которые в норме в данном типе клеток не работают, что может стать причиной возникновения тяжелых заболеваний, таких как рак, нарушения формирования половых признаков и сбои в развитии эмбриона (рис. 2).

Пространственная конфигурация генома в материнском ядре является наиболее базовой и позволяет из одной оплодотворенной яйцеклетки получить множество разных типов клеток взрослого организма

Где проходят границы между ТАДами

Но что обеспечивает разделение генома на ТАДы? В решение этой проблемы существенный вклад внесла работа нашей лаборатории. Мы обнаружили, что организация геномной ДНК в ТАДы происходит в значительной мере самопроизвольно и регулируется простыми физическими законами. Наша работа была опубликована в престижном международном журнале Genome Research (doi: 10.1101/gr.196006.115), о ней много говорилось в прессе и по телевидению.

Суть полученных нами результатов заключается в том, что границами ТАДов являются участки генома, содержащие гены "домашнего хозяйства", то есть гены, которые работают во всех типах клеток и необходимы для поддержания базовых клеточных процессов. В силу ряда особенностей такие участки генома не могут сворачиваться в плотные глобулы, тем самым создавая "разметку" границ ТАДов в геноме.

Важно отметить, что помимо разнообразных биохимических техник мы использовали моделирование структуры генома на суперкомпьютере МГУ "Ломоносов", и результаты этого моделирования ясно свидетельствуют о том, что укладка ДНК в индивидуальных клетках может достаточно сильно различаться (рис. 3).

Рис. 3. Мы можем исследовать пространственную организацию генома, используя суперкомпьютеры для моделирования структуры виртуальных полимеров, по физическим свойствам схожих с реальным геномом. На рисунке показано самопроизвольное сворачивание виртуального полимера, направляемое хаотическим движением молекул и электростатическими взаимодействиями

От клеточных популяций к индивидуальным клеткам

В подавляющем большинстве случаев в молекулярно-биологических исследованиях приходится использовать сотни тысяч и даже миллионы клеток в каждом эксперименте. Это связано с тем, что в одной клетке очень мало исследуемых молекул и это крайне затрудняет работу с ними.

Например, количество геномной ДНК в одной клетке человека примерно в сто тысяч миллионов раз меньше одного грамма. Работа с большим количеством клеток приводит к тому, что получаемые в эксперименте результаты, как правило, позволяют установить средние, наиболее типичные значения тех или иных параметров клеточной физиологии. В известном смысле полученную информацию можно уподобить "средней температуре" пациентов по больнице.

Безусловно, результаты исследований клеточных популяций позволили установить много важных закономерностей. Однако хорошо известно, что клетки одного типа, выглядящие под микроскопом совершенно одинаково, могут различаться по множеству разных биохимических параметров. Исследования работы генома в одной отдельно взятой клетке становятся "трендом времени" и уже внесли значительный вклад в понимание того, как осуществляется тонкая настройка работы нашего генома. Такие исследования влияют и на развитие медицины, поскольку, например, события, происходящие в очень малой доле клеток, могут давать старт развитию опухолей. При изучении больших клеточных популяций такие события часто остаются незамеченными.

В совместной работе с австрийскими и американскими коллегами мы разработали новый экспериментальный подход, позволяющий анализировать укладку генома в индивидуальных клетках. С использованием этого подхода нам удалось построить существенно более детализированные карты пространственной организации генома мыши, чем в предшествующей работе английских коллег. Анализ полученных данных, недавно опубликованный в журнале Nature (doi: 10.1038/nature21711), предоставил веские доказательства того, что укладка генома существенно различается в индивидуальных клетках (рис. 4). По нашему мнению, это свидетельствует о том, что в клетке происходит постоянный перебор различных геномных конфигураций — а это обеспечивает возможность быстрой адаптации к изменяющимся условиям внешней среды.

Хотя в большинстве случаев проще изучать клеточную популяцию, чем индивидуальные клетки, для некоторых типов клеток популяционный подход вообще невозможно использовать, потому что эти клетки являются, что называется, штучным товаром. С использованием разработанного нами экспериментального подхода нам удалось изучить укладку отцовского и материнского геномов в оплодотворенных яйцеклетках (зиготах) мыши.

Совершенно неожиданно для себя мы обнаружили, что укладка геномной ДНК в материнском ядре в зиготе принципиально отличается от укладки генома в ядрах любого другого типа клеток. В ядрах всех прочих исследованных клеточных типов активные и "молчащие" области генома пространственно обособлены друг от друга. В материнском ядре зиготы же, напротив, этого не наблюдается. Наши результаты позволяют предположить, что конфигурация генома в материнском ядре является наиболее базовой, соответствующей так называемому состоянию тотипотентности, позволяющему в ходе эмбрионального развития из одной зиготы получить множество разных клеточных типов взрослого организма.

Работа с большим количеством клеток, как правило, позволяет установить средние, наиболее типичные значения тех или иных параметров клеточной физиологии, вроде "средней температуры" пациентов по больнице

3D-геномика и медицина

Обсуждая новости молекулярной биологии, как правило, говорят о "геноме человека", или "геномной ДНК человека", или просто о ДНК. Но важно помнить, что в ядрах клеток нашего организма в норме содержится 23 разных молекулы ДНК, каждая из которых формирует отдельную хромосому, а все вместе они называются геномом.

Каждая хромосома уложена определенным, уникальным для нее способом и располагается в ядре клетки так, что территория, ею занимаемая, практически не пересекается с территориями соседних хромосом. В этом смысле ядро клетки напоминает земной шар, на котором есть много государств, занимающих определенные территории и разделенные границами.

История знает множество примеров того, как события в одном государстве напрямую влияли на жизнь в соседних странах и на мировую политику в целом. В ядре клетки ситуация примерно такая же. Любые изменения в работе генома, будь то запуск или подавление экспрессии отдельных генов, или появление лишних копий тех или иных хромосом, могут повлиять на работу генов, напрямую не затронутых этими изменениями и расположенных в других хромосомах-государствах.

В качестве примера можно указать на результаты работы, которую мы выполнили с нашими французскими коллегами из Института Гюстава Русси. Результаты этой работы были опубликованы в престижном гематологическом журнале Blood (doi: 10.1182/blood-2013-06-510511). Мы убедительно продемонстрировали, что простое перемещение определенного гена из одной области ядра в другую может быть причиной его активации в клетках, где в норме он не работает. Это запускает целый каскад процессов, который в конечном итоге ведет к развитию лейкоза, первопричины которого было бы сложно понять без учета пространственной структуры генома.

Важно отметить, что раскрытие принципиально нового механизма возникновения лейкозов создает базис для разработки путей борьбы с этими заболеваниями. Таким образом, исследования укладки геномной ДНК в ядре представляют интерес не только для фундаментальной науки, но и для медицины, способствуя более глубокому пониманию механизмов возникновения различных патологий.

Простое перемещение определенного гена из одной области ядра в другую может запустить целый каскад процессов, который в конечном итоге ведет к развитию лейкоза

Эволюция 3D-организации генома

Поскольку трехмерная организация генома является одним из инструментов регуляции экспрессии генов, она должна быть объектом эволюции. В недавно выполненной в нашей лаборатории работе, результаты которой опубликованы в высокорейтинговом международном журнале Molecular Biology and Evolution (doi: 10.1093/molbev/msx100), мы показали, что это действительно так.

На примере эволюции кластеров глобиновых генов позвоночных животных мы продемонстрировали, что по мере их продвижения по эволюционной лестнице происходит утрата линейных сегментов хромосом, тогда как сегменты, организованные в глобулы (клубки), сохраняются (рис. 5).

Рис. 5. Результаты наших исследований пространственной структуры локуса глобиновых генов тропической рыбы Danio rerio показывают, что сегменты генома, способствующие установлению контактов между энхансерами и генами (организованные в петли), сохраняются в ходе эволюции. Линейные сегменты генома, напротив, отбрасываются естественным отбором

Скорее всего, это связано с тем, что у млекопитающих существенно возрастает роль удаленных энхансеров в регуляции активности генов. Установление контактов между такими энхансерами и подконтрольными им генами обеспечивается за счет образования петель ДНК, что и приводит к образованию глобул.

У позвоночных животных по мере их продвижения по эволюционной лестнице происходит утрата линейных сегментов хромосом, тогда как сегменты, организованные в глобулы (клубки), сохраняются

Заключительные заметки

В последние годы отечественную науку часто и во многих случаях обоснованно критикуют за низкую продуктивность и отсутствие работ международного уровня. Выше мы показали, как одна сравнительно небольшая отечественная лаборатория успешно работает на переднем крае мировой науки, систематически публикуя результаты своей работы в наиболее престижных международных журналах.

Выполнение всех перечисленных выше работ стало возможным благодаря большому гранту Российского научного фонда. Значение такой поддержки трудно переоценить не только потому, что она обеспечивает возможность выполнения дорогостоящих работ, таких как массированное секвенирование ДНК. Но еще важнее то, что такие гранты обеспечивают возможность привлечения к работе молодых исследователей, предоставляя разумную альтернативу отъезду за рубеж. По крайней мере в экспериментальной биологии адресная поддержка коллективов, работающих на мировом уровне (о чем можно судить по наличию публикаций в рейтинговых международных журналах), является, на наш взгляд, наиболее прямым путем к возрождению науки в нашей стране.