Ученые распутали трехмерную структуру генома мужских половых клеток

Исследование, проведенное учеными из Автономного университета Барселоны в сотрудничестве с испанским Национальным центром геномного анализа и Центром геномной регуляции (CNAG-CRG), посвящено трехмерной структуре генома мужских половых клеток. Опыты на мышах показали, что эта структура в процессе формирования клеток-предшественников гамет динамично изменяется. Более того, ремоделирование хроматина, расположение когезина (мультибелковый комплекс, который соединяет и удерживает вместе сестринские хроматиды, а также играет роль в механизмах дифференцировки, формируя уникальную трехмерную структуру генома) и экспрессия генов в это время точно сбалансированы между собой.

Все организмы, размножающиеся половым путем, формируют гаплоидные гаметы — яйцеклетки и сперматозоиды. Эти клетки содержит только одну копию каждой хромосомы, так как при их образовании происходит два последовательных клеточных деления, но ДНК реплицируется лишь один раз. Этот процесс известен как мейоз и требует точной и регулируемой упаковки и распаковки генома.

«Наша работа описывает динамику ремоделирования хроматина при формировании мужских гамет у мышей, сравнивая изменения в укладке хроматина и транскрипции генов на разных стадиях мейоза, — сообщила координатор исследования Аврора Руис-Эррера из Института биотехнологии и биомедицины Автономного университета Барселоны, — Мы подтвердили существование разных степеней укладки генома и выявили их связь со структурными белками когезинами и экспрессией генов. Наши результаты проложат путь к новым исследованиям молекулярных механизмов, регулирующих эти процессы».

Авторы работы установили, что у сперматогониев четко выражена компартментализация участков генома в ядре. Они пролиферируют и дифференцируются в сперматоциты первого порядка, которые, в свою очередь, вступают в мейоз. Во время профазы-1 расположение хромосом в ядре значительно меняется, когезины активируют промоторы на выпетливающихся участках ДНК. После завершения мейоза сперматоциты становятся сперматидами, и прежняя компартментализация в них восстанавливается, причем расположение когезина коррелирует с активно транскрибирующимися генами, ключевыми для развития.

«Это исследование стало возможным только благодаря комбинации методов из разных областей биологии, таких как молекулярная генетика, микроскопия и компьютерная симуляция. Это по-настоящему мультидисциплинарный проект», — говорит соруководитель работы Марк Марти-Реном из Каталонского института исследований и углубленных исследований. Ученые комбинировали определение конформации хромосом in situ с использованием высокопроизводительного секвенирования (Hi-C), секвенирования РНК (RNA-seq) и иммунопреципитации хроматина с последующим секвенированием (ChIP-seq), а также с микроскопией сверхвысокого разрешения и конфокальной микроскопией. В работе участвовали 7 исследовательских команд из Автономного университета Барселоны, CNAG-CRG, Института исследований рака Саламанки, Секвенции Биотех и Университета Нового Южного Уэльса (Сидней, Австралия).

Исследования механизмов построения и регулирования трехмерной структуры и функционирования генома при формирования гамет имеют не только фундаментальную, но и практическую значимость. Их нарушения могут приводить к бесплодию и анеуплоидиям, наподобие синдрома Дауна.