Два новых знаковых исследования показывают, как кажущийся спутанный клубок ДНК на самом деле организован в структуру, которая координирует работу тысяч генов для формирования сперматозоида. Работа, опубликованная 3 марта в виде двух статей в Nature "Структурная и молекулярная биология", может улучшить лечение проблем с фертильностью и нарушений развития.

Мы изучаем трёхмерную структуру генома. Это действительно показывает нам, как архитектура генома влияет на развитие.

Сатоши Намекава, профессор микробиологии и молекулярной генетики в Калифорнийском университете в Дэвисе и старший автор одной из статей

Хотя ДНК представляет собой длинную нитевидную молекулу, в живых клетках она сворачивается и образует петли, как клубок ниток. Это означает, что гены могут находиться физически близко к "энхансерам" — переключателям ДНК, которые включают и выключают их, даже если они расположены далеко друг от друга в последовательности ДНК. Для того, чтобы понять, как гены включаются и выключаются для создания различных типов клеток, нужно выяснить, как сворачивается ДНК и какие гены и энхансеры сочетаются друг с другом.

Воспоминания клеток

В эмбрионе мыши или человека клетки, которые однажды будут производить сперму или яйцеклетки, уже предназначены для этой будущей цели, сказал Намекава. Эти первичные половые клетки изначально "бипотентны" — они могут стать как сперматозоидами, так и яйцеклетками. Но пока эмбрион находится в утробе матери, его бипотентные клетки выбирают один из путей развития, и, переступив этот порог, они уже не могут вернуться назад.

У клеток есть своего рода память. Но мы не знаем, как работает эта память. Мы пытаемся понять, как приобретается эта мужская судьба.

Сатоши Намекава, профессор микробиологии и молекулярной генетики в Калифорнийском университете в Дэвисе и старший автор одной из статей

Намекава и его студенты использовали метод под названием "Hi-C" для выявления участков сближения, где удалённые друг от друга части генома соединяются друг с другом. Используя компьютер для анализа этих участков соединения, Намекава смог увидеть, как вся цепочка ДНК закручивается и сворачивается.

Добавление генома в закладки

В новых исследованиях научный сотрудник Калифорнийского университета в Дэвисе Юка Китамура выявила два белка в половых клетках, которые формируют эту клеточную память. Первый белок, называемый SCML2, разъединяет соединения и позволяет ДНК разворачиваться и расслабляться, подготавливая её к реорганизации на следующем этапе развития сперматозоидов. Другой белок, CTCF, прикрепляется к участкам ДНК суперэнхансера и связывает их с генами, которые позже активируются во время развития сперматозоидов. Это создаёт новую структуру, которая определяет будущую судьбу клетки как сперматозоида.

В сопутствующей статье показано, что задолго до того, как зародышевые клетки вступают в мейоз, CTCF и другие белки закладывают закладки в тысячи мест в геноме. Этой работой руководили аспирант Чонгил Йи и Брэдли Кэрнс, профессор и заведующий кафедрой онкологических наук Медицинской школы Университета Юты и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза. Она была опубликована в сотрудничестве с Намекавой и Китамурой. Эти открытия могут иметь важные медицинские последствия, в том числе диагностические тесты для выявления причин бесплодия, связанных со сворачиванием генома. Эти открытия также могут помочь учёным, работающим над терапией стволовыми клетками, поскольку для того, чтобы заставить стволовую клетку стать нейроном или сердечной клеткой, необходимо перевести её из одной генетической программы в другую, каждая из которых определяется конкретной трёхмерной структурой генома.

Мы раскрываем язык клеточной памяти и судьбы клеток. Это действительно захватывающе.

Сатоши Намекава, профессор микробиологии и молекулярной генетики в Калифорнийском университете в Дэвисе и старший автор одной из статей

Работа была частично поддержана грантами Национального института здравоохранения и Японского общества содействия развитию науки.

Ученые поняли, когда современные люди достигли каждого из 7 континентов.

Фото: pxhere.com