Укладка ДНК в молекуле сохраняется неизменной в течение сотен миллионов лет эволюции. Однако ученые до сих пор не могут понять, какую функцию она несет. Сотрудники ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» разработали метод, позволяющий находить в геноме крупные хромосомные перестройки, — это может быть использовано в диагностике наследственных заболеваний и в планировании семьи, сообщает издание «Наука в Сибири».
В микроскопическом ядре каждой клетки нашего организма упакована цепочка ДНК длиной в 1,5 метра. Для того чтобы туда уместиться, она во много раз складывается и комкается. В последнее десятилетие с помощью новой технологи Hi-C было показано, что ДНК в ядре разделена на отдельные «клубки» — топологические домены, которых в клетке насчитывается около двух тысяч. Оказалась, такая пространственная организация ДНК очень консервативна, она похожа у многих организмов и остается неизменной в течение сотен миллионов лет. Ученые пытаются понять почему.
«С одной стороны, сейчас есть впечатляющие примеры, когда крупные геномные мутации вызывают развитие наследственных заболеваний и онкологии именно из-за нарушения 3D-организации генома. Это хорошо соотносится с исследованиями, показывающими: в эволюционном ряду такая трехмерная организация очень консервативна. Если что-то сохраняется миллионы лет, значит, оно несет какую-то важную функцию. Но какую именно? Над этим вопросом бьются ведущие научные коллективы, но внятного ответа до сих пор нет», — рассказывает ведущий научный сотрудник ФИЦ ИЦиГ СО РАН кандидат биологических наук Вениамин Семёнович Фишман.
Условно эксперименты по изучению 3D-организации генома можно разделить на два типа. Первый исходит от конкретной болезни: пациента или группу пациентов с определенным нарушением исследуют на предмет того, что у них изменилось в пространственной укладке ДНК и мутации в каких генах за это ответственны. Найденные патологии воспроизводят на мышах или на клеточных моделях. Опыты показывают: развитие болезни действительно связано с поломками в 3D-организации генома, из-за которых нарушилась работа определенного гена. Если смотреть на ситуацию под таким углом, всё вроде бы понятно.
Загадки возникают при другом подходе. «Мы можем взять укладку генома такой, какая она есть, внести изменение в любом месте, без ассоциации с уже описанными болезнями. Укладка меняется, но ничего не происходит», — рассказывает Вениамин Фишман.
Например, есть два не связанных друг с другом гена. Один отвечает за рост сосудов в плаценте. Другой, находящийся рядом, — за транспорт питательных веществ внутри клеток. В трехмерном пространстве между ними находится регулятор, который не дает им контактировать друг с другом. «200 миллионов лет эти гены, находясь в геноме рядом, были защищены от взаимодействия», — говорит исследователь. В экспериментах на мышах ученые ломали границы между этими двумя генами. При этом подопытные не демонстрировали абсолютно никаких нарушений в своем поведении — они прекрасно жили, размножались, были абсолютно здоровыми. «Мы пытаемся понять, почему не закрепляются мутации, позволяющие контактировать этим генам? Должна быть какая-то причина. Ведь раз этого не происходит, значит, где-то в каком-то месте всё же давит естественный отбор», — говорит Вениамин Фишман.
У исследователей есть разные гипотезы. Согласно одной из них, нарушения проявляются в каких-то особенных ситуациях. Когда мышь живет в благоприятных условиях, в тепле и с трехразовым питанием, окруженная заботой ученых, у нее всё хорошо. Может быть, если ее поместить в стрессовые состояния, какие-то нарушения в работе ее генов всё же проявятся? Или поломки 3D-организации могут компенсироваться работой каких-то других механизмов, и только если сделать несколько нарушений сразу, это приведет к развитию болезней? Либо пространственная организация ДНК важна не столько для работы генов, сколько для устранения их поломок? Существует много гипотез, но ни одна из них еще не доказана.
«Есть методы, позволяющие проверять активность репарационной машины, смотреть, насколько быстро накапливаются мутации. Они сложные, но не невозможные. Рано или поздно мы найдем причину», — говорит Вениамин Фишман.
В ходе исследования трехмерной организации генома ученые наткнулись на интересный (хотя и предсказуемый) факт: если два участка в геноме находятся близко друг к другу в линейной молекуле ДНК, то и в 3D-пространстве их далеко друг от друга растащить невозможно. «У нас появилась идея, что эту особенность можно использовать для диагностики крупных хромосомных перестроек. Проблема в том, что в отличие от точечных мутаций такие перестройки технологически очень сложно находить, а количество их в геномах огромное. Не так давно в Nature Genetics вышла статья, показывающая: в среднем у каждого здорового человека есть примерно 4,5 тысячи подобных перестроек (большинство из которых — варианты нормы), — рассказывает Вениамин Фишман. — Мы придумали и разрабатываем метод, который на основе профилирования 3D-организации позволяет эти перестройки искать. Когда в геноме два очень далеких района оказываются близко, это сильно меняет структуру трехмерных контактов».
Метод основан на секвенировании и анализе 3D-организации. Он уже сейчас может иметь полезные практические применения. Так, патологии вроде болезни Альцгеймера обычно возникают из-за совпадения целого спектра генетических причин и их взаимодействия со средой. Похоже, болезнь складывается из комбинации сотен или тысяч отдельных часто встречающихся вариантов, выявляя которые можно попытаться диагностировать меньшую или большую предрасположенность к ней. Кроме того, такие данные могут быть полезны при планировании семьи. «Если у ребенка есть врожденная патология, можно будет понять, чем она вызвана, чтобы составить прогноз, как будет развиваться его болезнь в дальнейшем, попробовать как-то облегчить симптомы. Кроме того, это даст возможность предотвратить развитие таких нарушений у следующего ребенка в семье», — отмечает ученый.
