Российские ученые впервые охарактеризовали архитектуру генома птиц

Группа ученых Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН и Санкт-Петербургского государственного университета впервые полностью секвенировала ДНК птиц с помощью методов 3D-геномики.

Результаты исследования, которые опубликованы в журнале Nucleic Acids Research, позволят лучше понять способы пространственной укладки геномной ДНК и причины многих генетических заболеваний.

Как правило, генетический материал (молекулы ДНК) представлен в виде линейной последовательности нуклеотидов. Однако инновационные биохимические и биоинформатические методы позволили исследовать геном в трехмерном пространстве: в результате были обнаружены новые устойчивые единицы упаковки хроматина — ТАДы (топологически ассоциированные домены). ТАДы можно представить в виде районов, каждый из которых включает определенный набор генов и регулирующие их последовательности. Такие домены эволюционно консервативны: во-первых, они возникают на одном и том же месте (топологически ассоциированы), а во-вторых, присутствуют в большинстве клеток многих организмов, включая человека. Сейчас генетики по всему миру продолжают исследование ТАДов у разных животных.

Так, ученые СПбГУ совместно с коллегами из Новосибирска впервые провели полногеномный анализ птицы, изучив архитектуру ДНК домашней курицы. Специалисты Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН собрали данные об архитектуре генома методами захвата конформации хроматина и секвенирования нового поколения (Hi-C) с последующим биоинформатическим анализом, а цитологи СПбГУ проверили достоверность и визуализировали эти результаты с помощью микроскопии (флуоресцентная situ-гибридизация).

Группа российских ученых выяснила, что у домашней курицы есть ТАДы на уровне всего генома, а значит, такой способ укладки ДНК общий не только для млекопитающих, но и для птиц. Кроме того, несмотря на то, что геном курицы небольшой, размеры ее топологически ассоциированных доменов практически сопоставимы с человеческими (от 700 тысяч до одного миллиона пар нуклеотидов).

«У разных классов организмов можно найти общие последовательности генов — довольно протяженные районы. Когда геном перестраивается (например, в результате эволюции), район перемещается в другое место. Точки разрывов в большинстве случаев оказываются именно на границе ТАДов, а не внутри. Таким образом, топологически ассоциированные домены в этих районах удерживают свою структуру, то есть остаются эволюционно консервативными и сохраняются даже у очень далеких видов. Другими словами, ТАД — это устойчивая структурная единица, которая обеспечивает правильную работу генов», — пояснила соавтор исследования, доцент СПбГУ Алла Красикова.

В перспективе исследование архитектуры генома может дать толчок к изучению многих генетических заболеваний, которые происходят из-за разрушения границ ТАДов, среди них — лейкемия и другие типы рака, акропекторовертебральная дисплазия (F-синдром), демиелинизирующая лейкодистрофия, мезомелическая дисплазия.

Полное понимание механизма формирования петлевых структур ДНК в составе ТАДов поможет редактировать их границы в случае их разрушения и подбирать соответствующую терапию в зависимости от причины, по которой произошла опухолевая трансформация клетки.

Ведущий научный сотрудник Института цитологии и генетики СО РАН кандидат биологических наук Вениамин Фишман

Кроме того, данные 3D-геномики будут полезны и для селекции. Например, информация о границах топологически ассоциированных доменов потенциально позволит проводить манипуляции с генами, которые отвечают за яйценоскость или морозостойкость у домашних куриц. Так, во Франции уже существует целый международный проект FR-AgENCODE, в рамках которого ученые собирают массивы данных об архитектуре генома разных сельскохозяйственных животных.

Еще одно открытие ученые СПбГУ и Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН сделали, сравнив в геноме домашней курицы ТАДы двух типов клеток — эритроцитов и эмбриональных фибробластов. Эритроциты — это красные кровяные клетки, которые содержат гемоглобин и ответственны за перенос кислорода. У птиц в этом типе клеток крови есть ядро, в отличие от млекопитающих, у которых ядро вместе с геномом утрачивается в процессе созревания. Эритроциты кардинально отличаются от обычных клеток другой укладкой генома, меньшим размером ядра и неактивностью генов. Группа исследователей установила, что помимо прочих отличий в эритроцитах нет и ТАДов. В перспективе сравнительный анализ обычных клеток и эритроцитов может помочь ученым выяснить механизмы возникновения и исчезновения топологически ассоциированных доменов.

«Сегодня у ученых есть множество гипотез о том, каким образом ТАДы формируются, сохраняют свою структуру и собираются после митоза (деление клетки). Например, в митотических хромосомах, которые участвуют в митозе, топологически ассоциированных доменов тоже нет. Но когда хромосомы деконденсируются в следующей фазе, ТАДы собираются снова, причем каждый раз примерно в том же самом месте. Можно предположить, что есть какие-то механизмы, которые скручивают район хроматина (ТАД) именно в том месте, где он был до этого. Эти механизмы еще предстоит выяснить», — отметила доцент СПбГУ Алла Красикова.

Перспектива продолжения исследования также состоит в возможности сравнения доменов хроматина в соматических и половых клетках. Так, ученые СПбГУ совместно с коллегами из Новосибирска планируют с помощью методов Hi-C и флуоресцентной in situ-гибридизации изучить архитектуру генома в гигантских хромосомах типа ламповых щеток (напоминающих ершики для чистки стекол керосиновых ламп), характерных для растущих ооцитов.