Die 3D-Genomik hilft uns zu verstehen, wie unsere Gene funktionieren.

Die 3D-Genomik hilft uns zu verstehen, wie unsere Gene funktionieren.

Sergej Rasin, Korrespondierendes Mitglied der Russischen Akademie der Wissenschaften, Professor, Leiter der Abteilung für Molekularbiologie, Biologische Fakultät, Moskauer Staatliche Universität, Laborleiter, Institut für Genbiologie, Russische Akademie der Wissenschaften
Sergej Uljanow, Kandidat der Biologischen Wissenschaften, Senior Researcher, Fakultät für Biologie, Moskauer Staatliche Universität und Institut für Genbiologie, RAS
"Kommersant Science" №5, Juli 2017

Untersuchungen zur räumlichen Konfiguration von DNA in Chromosomen ergaben unerwartete, bisher unbekannte Ursachen für schwere menschliche Erkrankungen.

Die Entstehung der dreidimensionalen Genomik

Seit Dutzenden von Jahren, die seit dem Nachweis der genetischen Funktion der DNA in den vierziger Jahren des letzten Jahrhunderts vergangen sind, blieb die Vorstellung unverändert, dass der Abstand zwischen allen Teilen des Genoms die Länge der DNA-Kette ist, die sie voneinander trennt. Heute wissen wir, dass die Fähigkeit der DNA, Schleifen und andere komplexe Strukturen zu bilden, Genen und Elementen des Genoms, die ihre Arbeit steuern (Enhancer), im Raum des Zellkerns nahe kommen, selbst wenn sie durch ein verlängertes DNA – Fragment getrennt sind (Abb. 1).

In den letzten Jahren sind neue Ansätze aufgetaucht, die das Studium der Faltung genomischer DNA in den Zellkern ermöglichen. Dies war der Beginn der Entwicklung des wissenschaftlichen Bereichs, den wir 3D-Genomik nennen. Mit diesen Ansätzen wurde gezeigt, dass Chromosomen in strukturell funktionelle Blöcke – topologisch assoziierte Domänen (TADs) – unterteilt sind. Genomische Regionen von einem TAD sind viel häufiger miteinander in Kontakt als mit Stellen von benachbarten TADs. Dies ermöglicht es Ihnen, TADs in Form von relativ dichten Bällen von DNA-Strängen einzureichen. Die Ergebnisse vieler Experimente zeigen, dass ein Enhancer nur Gene aktivieren kann, die sich innerhalb des TAA befinden, wo sein Enhancer lokalisiert ist.

Abb. 1. Wenn eine DNA-Schleife gebildet wird, befinden sich sogar die Gene und Elemente des Genoms, die sich in ihrer Kette befinden, die ihre Arbeit steuern, nahe beieinander.

Daher spielen TAPS eine wichtige Rolle beim Management der Genaktivität. Das Entfernen oder Beschädigen eines DNA-Abschnitts, der benachbarte TAPS trennt, führt zu der Tatsache, dass der Verstärker Gene aktivieren kann, die normalerweise in diesem Zelltyp nicht funktionieren, was ernsthafte Krankheiten wie Krebs, Störungen der Bildung von Geschlechtsmerkmalen und Fehlfunktionen verursachen kann Embryonalentwicklung (Abb. 2).

Abb. 2 Kontakte zwischen Enhancern und Promotoren werden in der Regel innerhalb eines einzigen TAA gebildet. Das Entfernen der Grenze zwischen benachbarten TADs führt zu deren Zusammenführung. In diesem Fall erhält der Enhancer die Möglichkeit, mit Genen in Kontakt zu treten, deren Arbeit normalerweise nicht von diesem Enhancer gesteuert wird, der mit der Entwicklung von Pathologien, beispielsweise Krebs, behaftet ist

Wo sind die Grenzen zwischen den Tadami?

Aber was sichert die Trennung des Genoms in TADs? Die Arbeit unseres Labors hat wesentlich zur Lösung dieses Problems beigetragen. Wir fanden heraus, dass die Organisation der genomischen DNA in TADs weitgehend spontan erfolgt und durch einfache physikalische Gesetze geregelt wird. Unsere Arbeit wurde in einer renommierten internationalen Zeitschrift veröffentlicht. Genomforschung (Sergey V. Ulianov et al. Chromosom wandeln sich in topologisch assoziierende Domänen um // Genomforschung, 2016, 26, p. 70-84, doi: 10.1101 / gr.196006.115), wurde in der Presse und im Fernsehen viel darüber gesagt.

Die Essenz der von uns erhaltenen Ergebnisse ist, dass die Grenzen der TADs genomische Regionen sind, die die "Haushalt" -Gene enthalten, dh Gene, die in allen Arten von Zellen arbeiten und notwendig sind, um grundlegende zelluläre Prozesse aufrechtzuerhalten. Aufgrund einer Reihe von Merkmalen können solche Teile des Genoms nicht zu dichten Kügelchen gefaltet werden, wodurch ein "Markup" der Grenzen von TADs in dem Genom erzeugt wird.

Es ist wichtig anzumerken, dass wir zusätzlich zu einer Vielzahl von biochemischen Techniken die Modellierung der Genomstruktur am Lomonosov-Supercomputer der Moskauer Staatlichen Universität verwendet haben, und die Ergebnisse dieser Simulation zeigen deutlich, dass die DNA-Stapelung in einzelnen Zellen ziemlich stark variieren kann (Abb. 3).

Abb. 3 Wir können die räumliche Organisation des Genoms mithilfe von Supercomputern untersuchen, um die Struktur virtueller Polymere zu simulieren, deren physikalische Eigenschaften denen des tatsächlichen Genoms ähneln. Die Abbildung zeigt die spontane Faltung eines virtuellen Polymers, geleitet von der chaotischen Bewegung von Molekülen und elektrostatischen Wechselwirkungen.

Von Zellpopulationen zu einzelnen Zellen

In der überwiegenden Mehrzahl der Fälle müssen bei molekularbiologischen Untersuchungen in jedem Experiment Hunderttausende und sogar Millionen von Zellen verwendet werden. Dies liegt an der Tatsache, dass nur sehr wenige Moleküle in einer einzigen Zelle untersucht werden, was es extrem schwierig macht, mit ihnen zu arbeiten.

Zum Beispiel beträgt die Menge an genomischer DNA in einer einzelnen menschlichen Zelle etwa einhunderttausend Millionen mal weniger als ein Gramm. Das Arbeiten mit einer großen Anzahl von Zellen führt dazu, dass die in dem Experiment erhaltenen Ergebnisse in der Regelerlauben Sie, den Durchschnitt, die typischsten Werte bestimmter Parameter der zellulären Physiologie einzustellen. In gewissem Sinne kann die erhaltene Information mit der "Durchschnittstemperatur" von Patienten im Krankenhaus verglichen werden.

Das Arbeiten mit einer großen Anzahl von Zellen ermöglicht es in der Regel, die durchschnittlichen, typischen Werte bestimmter Parameter der Zellphysiologie, wie beispielsweise die "Durchschnittstemperatur" von Patienten im Krankenhaus, festzulegen

Natürlich haben die Ergebnisse von Studien von Zellpopulationen es ermöglicht, viele wichtige Muster zu etablieren. Es ist jedoch allgemein bekannt, dass Zellen des gleichen Typs, die genau auf dieselbe Weise unter dem Mikroskop betrachtet werden, sich in vielen verschiedenen biochemischen Parametern unterscheiden können. Studien zur Arbeit des Genoms in einer einzigen Zelle werden zum "Trend der Zeit" und haben bereits einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis der Feinabstimmung der Arbeit unseres Genoms geleistet. Solche Studien beeinflussen auch die Entwicklung der Medizin, da beispielsweise Ereignisse, die in einem sehr kleinen Teil der Zellen auftreten, zur Entstehung von Tumoren führen können. Bei der Untersuchung großer Zellpopulationen bleiben solche Ereignisse oft unbemerkt.

In Zusammenarbeit mit unseren österreichischen und amerikanischen Kollegen entwickelten wir einen neuen experimentellen Ansatz, mit dem wir die Faltung des Genoms in einzelnen Zellen analysieren können. Mit diesem Ansatz konnten wir wesentlich detailliertere Karten der räumlichen Organisation des Mausgenoms erstellen als in früheren Arbeiten englischer Kollegen. Analyse der kürzlich im Journal veröffentlichten Daten Natur (Ilya M. Flyamer et al. Einkern-Hi-C zeigt eine einzigartige Chromatin-Reorganisation beim Übergang von der Eizelle zur Zygote // Natur, 544, p. 110-114, doi: 10.1038 / nature21711), lieferten starke Beweise dafür, dass sich die Genomstapelung in einzelnen Zellen signifikant unterscheidet (Abbildung 4). Dies deutet unseres Erachtens darauf hin, dass es in der Zelle eine ständige Suche durch verschiedene genomische Konfigurationen gibt – und dies bietet die Möglichkeit einer schnellen Anpassung an sich verändernde Umweltbedingungen.

Abb. 4 Die räumliche Organisation der gleichen Region des Genoms kann in verschiedenen Zellen derselben Population beträchtlich variieren. So kann es in ein dichtes Kügelchen (TAD3 + 4) oder in mehrere Kügelchen (TAD3 und TAD4) zusammenfallen

Obwohl es in den meisten Fällen einfacher ist, die Zellpopulation als einzelne Zellen zu untersuchen, kann der Populationsansatz für einige Zelltypen überhaupt nicht verwendet werden,weil diese Zellen sogenannte Stückgüter sind. Mit dem von uns entwickelten experimentellen Ansatz konnten wir die Faltung der väterlichen und mütterlichen Genome in befruchteten Eizellen (Zygoten) der Maus untersuchen.

Ziemlich unerwartet entdeckten wir, dass die Faltung von genomischer DNA im mütterlichen Kern in einer Zygote sich fundamental von der Faltung des Genoms in den Kernen eines anderen Zelltyps unterscheidet. In den Kernen aller anderen untersuchten Zelltypen sind die aktiven und "stillen" Regionen des Genoms räumlich voneinander getrennt. Im mütterlichen Kern der Zygote dagegen wird dies nicht beobachtet. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die Konfiguration des Genoms im mütterlichen Kern die grundlegendste ist, entsprechend dem sogenannten Zustand der Totipotenz, der es ermöglicht, viele verschiedene Zelltypen eines erwachsenen Organismus von einer Zygote während der embryonalen Entwicklung zu erhalten.

Die räumliche Konfiguration des Genoms im mütterlichen Kern ist die grundlegendste und erlaubt es, viele verschiedene Arten von adulten Zellen aus einem einzelnen befruchteten Ei zu erhalten.

3D Genomik und Medizin

Bei den Nachrichten über Molekularbiologie sprechen sie in der Regel vom "menschlichen Genom" oder von "menschlicher genomischer DNA" oder einfach von DNA. Aber es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass die Kerne der Zellen unseres Körpers normalerweise 23 verschiedene DNA-Moleküle enthalten, von denen jedes ein separates Chromosom bildet, und zusammen werden sie das Genom genannt.

Jedes Chromosom ist auf eine bestimmte, einzigartige Art und Weise gepackt und befindet sich im Zellkern, so dass das von ihm besetzte Territorium sich praktisch nicht mit den Territorien benachbarter Chromosomen schneidet. In diesem Sinne ähnelt der Zellkern dem Globus, in dem viele Staaten bestimmte Territorien besetzen und durch Grenzen getrennt sind.

Die Geschichte kennt viele Beispiele dafür, wie Ereignisse in einem Staat das Leben in den Nachbarländern und in der Weltpolitik als Ganzes beeinflusst haben. Im Zellkern ist die Situation ungefähr gleich. Jegliche Veränderungen im Genom, ob es die Expression einzelner Gene auslöst oder unterdrückt, oder das Auftreten zusätzlicher Kopien bestimmter Chromosomen, können die Arbeit von Genen beeinflussen, die nicht direkt von diesen Veränderungen betroffen sind und sich in anderen Chromosomen-Zuständen befinden.

Als ein Beispiel können wir auf die Ergebnisse der Arbeit hinweisen, die wir mit unseren französischen Kollegen vom Gustave-Russi-Institut durchgeführt haben. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden in einer angesehenen hämatologischen Zeitschrift veröffentlicht. Blut (Jeanne Alinne et al. Perinukleol relocalization der Nukleolin und Lymphom) Blut, V. 123, 13, p. 2044-2053, doi: 10.1182 / blut-2013-06-510511). Wir haben überzeugend gezeigt, dass das bloße Bewegen eines bestimmten Gens von einer Region des Zellkerns zu einem anderen die Ursache für seine Aktivierung in Zellen sein kann, wo es normalerweise nicht funktioniert. Dies führt zu einer ganzen Kaskade von Prozessen, die letztlich zur Entwicklung von Leukämie führen, deren Ursachen ohne Berücksichtigung der räumlichen Struktur des Genoms schwer zu verstehen wären.

Einfach ein spezifisches Gen von einer Region des Kerns in eine andere zu bewegen, kann eine Kaskade von Prozessen auslösen, die schließlich zur Entwicklung von Leukämie führt.

Es ist wichtig anzumerken, dass die Entdeckung eines grundlegend neuen Mechanismus für das Auftreten von Leukämie eine Grundlage für die Entwicklung von Möglichkeiten zur Bekämpfung dieser Krankheiten schafft. Daher sind Untersuchungen zur Faltung von genomischer DNA im Zellkern nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern auch für die Medizin von Interesse und tragen zu einem tieferen Verständnis der Mechanismen des Auftretens verschiedener Pathologien bei.

Die Evolution der 3D-Genom-Organisation

Da die dreidimensionale Organisation des Genoms eines der Werkzeuge zur Regulierung der Genexpression ist, muss es der Evolution unterliegen. In einer neueren Arbeit in unserem Labor, dessen Ergebnisse in einer hochrangigen internationalen Zeitschrift veröffentlicht werden Molekularbiologie und Evolution (Anastasia P. Kovina et al.) Evolution der Genome 3D-Globin-Gencluster-Organisation: Fused and Segregated // Molekularbiologie und Evolution, V. 34, 6, p. 1492-1504, doi: 10.1093 / molbev / msx100), haben wir gezeigt, dass dies tatsächlich der Fall ist.

Am Beispiel der Evolution von Clustern von Globin-Genen von Wirbeltieren haben wir gezeigt, dass die linearen Segmente der Chromosomen, während sie sich entlang der evolutionären Leiter bewegen, verloren gehen, während die zu Globuli (Tangles) organisierten Segmente erhalten bleiben (Abb. 5).

Abb. 5 Die Ergebnisse unserer Untersuchungen zur räumlichen Struktur des Globingen Locus tropischer Fische Danio Rerio zeigen, dass Genomsegmente, die den Kontakt zwischen Enhancern und Genen (in Schleifen organisiert) fördern, während der Evolution erhalten bleiben. Im Gegensatz dazu werden lineare Segmente des Genoms durch natürliche Selektion verworfen.

Dies ist höchstwahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass bei Säugetieren die Rolle von Fernverstärkern bei der Regulierung der Genaktivität signifikant zunimmt.Die Herstellung von Kontakten zwischen solchen Enhancern und Genen unter ihrer Kontrolle wird durch die Bildung von DNA-Schleifen sichergestellt, die zur Bildung von Globuli führen.

In Wirbeltieren, während sie sich entlang der evolutionären Leiter bewegen, gehen die linearen Segmente der Chromosomen verloren, während die Segmente in Globuli (Tangles) organisiert bleiben

Letzte Anmerkungen

In den letzten Jahren wurde die Hauswirtschaft oft und in vielen Fällen wegen ihrer geringen Produktivität und des Mangels an internationaler Arbeit in die Kritik geraten. Oben haben wir gezeigt, wie ein relativ kleines Hauslabor erfolgreich an vorderster Front der Weltwissenschaft arbeitet und die Ergebnisse seiner Arbeit systematisch in den renommiertesten internationalen Fachzeitschriften veröffentlicht.

Die Durchführung aller oben genannten Arbeiten wurde dank eines großen Zuschusses der Russischen Wissenschaftsstiftung ermöglicht. Der Wert einer solchen Unterstützung ist schwer zu überschätzen, nicht nur, weil sie die Möglichkeit bietet, teure Arbeiten wie eine massive DNA-Sequenzierung durchzuführen. Noch wichtiger ist jedoch, dass solche Stipendien die Möglichkeit bieten, junge Forscher für eine Arbeit zu gewinnen, die eine vernünftige Alternative zum Auslandsaufenthalt bieten.Zumindest in der experimentellen Biologie ist die gezielte Unterstützung von Gruppen, die auf Weltniveau arbeiten (was durch das Vorhandensein von Publikationen in international anerkannten Zeitschriften beurteilt werden kann) unserer Meinung nach der direkteste Weg zur Wiederbelebung der Wissenschaft in unserem Land.


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