Российские ученые из Института биологии гена РАН совместно с коллегами из Нью-Йоркского университета исследовали роль пространственной организации генома (3D-генома) в регуляции работы генов бактерий. Биологам удалось построить карты пространственной организации генома одноклеточного организма ― кишечной палочки (Escherichia coli) ― с рекордно высоким разрешением и увидеть ряд новых структур. В этих экспериментах было впервые показано, что на уровне 3D-генома в клетках происходит репрессия горизонтально перенесенных генов (в том числе генов устойчивости к антибиотикам). Это открытие может иметь перспективы для борьбы с антибиотикорезистентностью. Результаты работы были опубликованы в журнале Nature.
Подробнее об исследовании корреспонденту «Научной России» рассказал руководитель отдела клеточной геномики Института биологии гена РАН член-корреспондент РАН Сергей Владимирович Разин. По словам ученого, работа может заложить фундамент для нового направления в генетике прокариот (безъядерных организмов, таких, например, как бактерии).
«Когда речь идет об эукариотических клетках, то есть тех, которые имеют ядро, ни у кого уже не вызывает сомнений тот факт, что на уровне пространственной организации генома функционируют разнообразные механизмы, регулирующие работу генов. Ученые, занимающиеся прокариотами, в свою очередь тоже пытались выяснить, наблюдается ли что-то подобное у этих примитивных организмов. Были найдены некие пространственные структуры, но установить их связь с функцией не удавалось: из-за того, что все имеющиеся на тот момент карты пространственной организации генома имели очень низкое разрешение. Эта проблема была решена, когда ведущему научному сотруднику нашего отдела Алексею Александровичу Гаврилову удалось создать карту с беспрецедентно высоким разрешением: в 10 нуклеотидных пар. Это разрешение, превосходящее предыдущие в сто раз. То, что мы увидели на этой карте, превзошло все наши ожидания», ― сообщил С.В. Разин.
Подробнее ― в нашем видео.
В своей работе ученые впервые продемонстрировали, что в геноме кишечной палочки есть пространственные структуры, возникновение которых напрямую связано с функцией. Предполагается, что одна из таких структур позволяет, например, повышать скорость транскрипции бактериальной ДНК.
Интересные наблюдения были сделаны и в нетранскрибирующихся последовательностях ДНК кишечной палочки, где были обнаружены структуры, которые выглядят как шпильки или кластеры шпилек. Затем были найдены два белка, локализующиеся исключительно там, где есть эти «шпильки». Ученые выяснили, что эти белки отвечают за формирование «шпилек».
«Эти “шпильки” в основном локализуются в районах, которые по нуклеотидному составу отличаются от основной массы генома E. сoli. Когда мы нашли антибиотик, связывающийся с этими районами, оказалось, что он целиком вытесняет участвующие в формировании “шпилек” белки, что приводит к исчезновению “шпилек”. Мы выяснили, что эти “шпильки” подавляют экспрессию горизонтально перенесенных генов, среди которых есть и гены устойчивости к антибиотикам. Но самое интересное из увиденного нами ― это то, что все эти районы, связанные с белками, формирующими “шпильки”, могут устанавливать пространственные контакты друг с другом на больших расстояниях. Это значит, что они могут устанавливать пространственные контакты с такого же рода “шпильками”, даже если они сформировались, скажем, на чужеродной ДНК, в том числе на плазмиде или на вирусе, который попал в бактерию. Это объясняет механизм быстрого перемещения генов, то есть горизонтального переноса. Наша работа стала важным шагом в исследовании этих механизмов», ― подытожил Сергей Владимирович Разин.
Фото в шапке текста: создано с помощью сервиса «Шедеврум»
Новость подготовлена при поддержке Российской академии наук
