Долгие годы в научном сообществе считалось, что ДНК в только что оплодотворенной яйцеклетке представляет собой своего рода «чистый лист» – неупорядоченный клубок генетического материала, который обретает структуру лишь после того, как эмбрион начинает использовать собственные гены. Согласно этой традиционной точке зрения, геном оставался в значительной степени неструктурированным до момента своего «пробуждения». Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Genetics, опровергает это давнее предположение.
Команда под руководством профессора Хуанмы Вакериса сообщила, что геном демонстрирует неожиданно высокий уровень организации на самых ранних стадиях развития. С помощью новой технологии Pico-C ученым удалось детально изучить трехмерную структуру генома и обнаружить, что сложный 3D-каркас ДНК формируется еще до того, как геном полностью активируется – ключевого момента, известного как активация зиготического генома. Эта ранняя укладка ДНК – не просто структурная особенность. От пространственной организации хромосом зависит, какие гены будут «включаться» в процессе развития, что необходимо для правильного функционирования клеток и предотвращения аномалий и болезней.
«Раньше мы представляли себе период до пробуждения генома как время хаоса, – объясняет Нура Мазиак, ведущий автор исследования. – Но, взглянув на него с беспрецедентным увеличением, мы увидели, что на самом деле это четко организованная строительная площадка. Каркас генома возводится точно и модульно задолго до того, как будет нажат главный “выключатель”».
Открытие было сделано при изучении плодовых мушек (Drosophila), классического модельного организма в генетике. Их эмбрионы развиваются стремительно, что делает их идеальной системой для подобных исследований. Используя высокочувствительный метод Pico-C, исследователи составили карту трехмерной укладки ДНК и обнаружили, что она сворачивается в петли по модульному принципу. Эта сложная архитектура гарантирует, что генетическая информация будет подготовлена и расположена для активации именно тогда, когда это необходимо. Кроме того, технология Pico-C требует в десять раз меньше биологического материала, чем стандартные методики, что открывает новые возможности для изучения роли нарушений в архитектуре генома в развитии заболеваний.
Хотя этот структурный «проект» был впервые обнаружен у плодовых мушек, его значимость распространяется и на биологию человека. В параллельном исследовании, опубликованном в Nature Cell Biology, ученые применили ту же технологию к человеческим клеткам. Они изучили, что происходит, когда удаляются молекулярные «якоря», стабилизирующие 3D-структуру генома. Результаты оказались поразительными: когда каркас разрушается, клетки человека ошибочно интерпретируют это событие как вирусную атаку. В ответ активируется врожденная иммунная система, вызывая ложную тревогу, которая может привести к воспалению.
«Эти два исследования рассказывают нам цельную историю, – заключает Хуанма Вакерис. – Первое показывает, как тщательно строится 3D-структура генома в самом начале жизни. Второе демонстрирует катастрофические последствия для здоровья человека, если позволить этой структуре разрушиться».
