Почему важна упаковка ДНК в ядре клетки и как аномалии в геноме приводят к возникновению онкологических и даже психологических заболеваний? Об этом в лекции в Ельцин Центре рассказала Екатерина Храмеева — старший преподаватель Сколтеха, кандидат биологических наук, стипендиат конкурса L’Oréal — UNESCO «Для женщин в науке».
Нить ДНК и её упаковка
В каждой клетке нашего тела упаковано два метра ДНК. Такое возможно благодаря сложной 3D-структуре, которая и позволяет работать этой молекуле. Именно на основе ДНК производятся все белки, из которых и собрано наше тело.
— Моя лаборатория в Сколтехе занимается всем, что связано с упаковкой ДНК в ядре клеток, — начала выступление исследовательница. — Эта похожая на нить молекула состоит из нуклеотидов. Их всего четыре — аденин, тимин, гуанин и цитозин, которые обозначаются буквами A, T, G и C. Ниточка ДНК и наши хромосомы состоят из этих «кирпичиков» в определённой последовательности, и эта последовательность определяет работу наших клеток.
Ниточка ДНК намотана на своего рода шарики, которые называются гистоны, и вместе с гистонами образует нуклеосомы — более крупные единицы упаковки ДНК. В свою очередь, нуклеосомы должны собраться в хромосомы — это уже совсем крупные объекты в нашей клетке. Хромосом у нас 46 штук — 23 пары, одна из хромосом каждой пары нам досталась от мамы, другая — от папы.
ДНК определяет то, как выглядят наши клетки, как они работают. Есть так называемая «центральная догма» в молекулярной биологии — глобальный принцип того, как всё живое работает в наших клетках: с ДНК синтезируется молекула РНК, а с РНК синтезируются белки. Это, собственно, те составные кирпичики, которые формируют наше тело.
Возникает резонный вопрос: если хромосомы во всех клетках одинаковые, почему клетки волос, кожи, печени, сердца и других органов и тканей разные? Дело в том, что помимо собственно ДНК в хромосомах есть ещё и регуляторные последовательности, которые определяют то, чем отличаются разные клетки друг от друга. Регулятор — это тоже последовательность ДНК, как и ген.
Генов в геноме человека порядка двадцати тысяч, а регуляторных последовательностей — около ста тысяч, и это только известные нам на данный момент. Это значит, что на один ген приходится в среднем пять регуляторов.
Регуляторные последовательности определяют то, в каких клетках какие гены будут работать. Таким образом и формируется многообразие клеток в нашем организме.
Как работают регуляторы?
Для того, чтобы тот или иной ген начал свою работу, белок-регулятор должен «сесть» на определённую регуляторную последовательность в ДНК, а другой белок должен «сесть» на краешек гена. Дальше в пространстве ядра молекула ДНК должна изогнуться таким образом, чтобы эти два белка — тот, что сидит на регуляторе, и тот, что сидит на гене, — проконтактировали друг с другом. Тогда запустится процесс синтеза РНК с геном, то есть ген активируется.
Почему в разных клетках работают разные гены? Типов клеток в организме много, и в каждой клетке есть свои регуляторы, которые запускают работу нужных именно в этой ткани именно в этот момент времени генов.
Также важно помнить про то, что у нас есть не только разные ткани, но и разные стадии развития организма. Очевидно, что при эмбриональном развитии нужны совсем другие гены, нежели для взрослого организма.
Бывает так, что один регулятор может запускать работу нескольких генов. Причём, все эти гены будто бы борются за регулятор — работает механизм «или/или». Почему-то для данной конкретной клетки в конкретный момент жизни организма важно, чтобы работал только один из, условно, трёх генов.
Возможны и другие ситуации — когда запускается механизм «и», когда на один регулятор приходится три гена. Это интуитивно понятная ситуация, при которой для правильного функционирования определённой ткани, например селезёнки, нужно, чтобы синтезировалось много разных белков.
Для того, чтобы процесс синтеза шёл правильно, критически важна упаковка ДНК в ядре. По словам Екатерины Храмеевой, эта область исследований в современной молекулярной биологии является «горячей» — методы, чтобы эту упаковку изучать, появились совсем недавно, буквально в последние десять лет.
От маркеров к последовательностям
Как учёные смогли проникнуть в тайну упаковки ДНК и белкового синтеза? Один из первых методов, который помог разметить гены и потом посмотреть на них в микроскоп, называется FISH — аббревиатура от Fluorescence In Situ Hybridization.
Fluorescence в этом сложносоставном термине означает «светящаяся метка», Hybridization — это «пришивание». Метод основан на пришивании светящейся метки к определённому месту в геноме.
— Мы можем пришить такую метку к участку на хромосоме, которая нас интересует, к тому самому гену, который отвечает, например, за возникновение рака. Впрочем, один ген увидеть не очень интересно — интереснее узнать про его взаимодействие с регуляторами. Поэтому вторую метку имеет смысл пришить к последовательности регулятора. И тогда, когда мы посмотрим в микроскоп, мы увидим полную картину. Можно практически линейкой измерить, как близко находится ген относительно регулятора.
Проблема с методом FISH заключается в ограничении количества меток, которые можно использовать — до 5-10. Изготовление и внедрение меток дорого и трудоёмко, и усилий учёных всего мира не хватит, чтобы изучить все взаимодействия 20000 генов и 100 000 регуляторов.
На помощь микробиологам пришёл более масштабный метод Hi-C. Он появился в 2009 году и с тех пор является магистральным. Метод основан на секвенировании и позволяет сделать то же самое, что FISH, — узнать про контакты генов и регуляторов, — только в масштабе всего генома.
Технология секвенирования позволяет определить последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Чтобы это осуществить, необходимо выделить ДНК из клеток, а это не так просто. Кроме того, секвенаторы (специальные машины для определения последовательностей) умеют читать не всю хромосому целиком, а только короткие кусочки.
Наш геном — это три миллиарда нуклеотидов, очень длинная последовательность. Поэтому учёные сначала нарезают ДНК на короткие фрагменты, а потом уже подают эти кусочки машине на чтение. Эти кусочки длиной порядка трёхсот нуклеотидов, зато машина их легко читает, и она может насчитать их очень много.
— Остаётся проблема — как из этих кусочков потом собрать хромосому. Нарезка делается в случайных местах, у вас не одна клетка, а много, поэтому кусочки будут перекрываться. Метод Hi-C эту проблему решает, позволяя собрать полную картину, кто с кем контактировал, с каким регулятором встречается в пространстве и т. д. В результате сборки всего этого пазла мы можем восстановить трехмерную модель упаковки ДНК в ядре.
Модели упаковки в разных тканях и состояниях организма отличаются: в печени структура одна, в почках другая, в эмбрионе одна, в старом организме другая и так далее.
По словам исследовательницы, на основе этих моделей мы можем изучать процессы, которые происходят в нашем организме в ходе старения, в ходе какого-то заболевания, просто отличия между разными типами клеток.
Видеозапись лекции Екатерины Храмеевой "Секрет упаковки ДНК. Жизнь под контролем структуры"
Видео: Президентский центр Б.Н. Ельцина
«Клубочки» ДНК, рак и аутизм
На моделях можно увидеть плотно упакованные «клубочки» — топологические домены ДНК, в которых частота взаимодействия генов с регуляторами высокая, а также рыхлые, неупакованные участки ниточки ДНК.
По словам Екатерины Храмеевой, установлено, что многие онкологические заболевания связаны с тем, что у пациентов неправильно собирается ДНК в эти клубочки: «Допустим, что у здорового человека есть два маленьких клубочка, а у пациента на этом же месте — один большой. Это свидетельствует о том, что нарушилась упаковка ДНК и поэтому возникла болезнь».
В настоящий момент топологические домены являются полем повышенного интереса исследователей, так как доказана связь между нарушениями в упаковке и раковыми заболеваниями.
— Как мы уже выяснили, такой «клубочек» — это единица упаковки, где гены и регуляторы достаточно часто друг с другом контактируют, при этом между соседними «клубочками» — своего рода «стена», они изолированы друг от друга. И это нормальная ситуация, так в здоровом человеке и должно всё быть устроено. Но представим себе, что случилась какая-то генетическая поломка в упаковке, и «стена» между топографическими доменами разрушилась. В здоровом человеке было два «клубочка», а у больного они слились в один. И теперь ген из первого клубочка получил доступ к регулятору из второго, начался синтез РНК. Так не должно быть, этот ген должен «молчать», и его активация приводит к болезни.
Первый доказанный пример заболевания, обусловленного неправильной упаковкой ДНК, — это синдактилия, сросшиеся пальцы у новорождённых. Помимо этого есть ещё несколько патологических заболеваний, вызванных нарушениями в упаковке ДНК: нейробластома, лейкемия, медуллобластома, глиома, рак прямой кишки.
Екатерина Храмеева рассказала, что сотрудники её лаборатории, взаимодействуя с другими учёными со всего мира, в настоящий момент пытаются понять, как нарушения в упаковке хромосом могут быть связаны с различными психическими расстройствами.
В 2019 году было проведено глобальное исследование, в рамках которого учёные из разных стран определили последовательность ДНК у людей, больных аутизмом. Образцы были взяты у 18000 больных, и их сравнили с 20000 контрольных образцов у здоровых людей. Достоверно было выделено пять мутаций в геноме, которые были у всех пациентов, но точно не было у представителей контрольной группы. А ещё раньше, в 2016 году, журнал Nature опубликовал результаты исследования последовательностей ДНК, взятых из клеток мозга у людей, больных шизофренией. Было выделено 108 различий в сравнении с геномом здоровых людей.
Екатерина Храмеева подчеркнула, что и аутизм, и шизофрения — это заболевания, которые характеризуются определённым набором симптомов, но у разных пациентов генетические поломки могут быть в совершенно разных местах, и скорее всего они связаны не с каким-то одним геном, а с сотней. Это мешает учёным понять, какие именно места в геноме отвечают за развитие болезни.
— Мы хотим пойти дальше в наших исследованиях, и уже начали это делать: мы хотим напрямую сравнить упаковку ДНК у больных и у здоровых, и найти места в геноме, где произошло это разрушение «стены» между клубочками. Это поможет нам сделать какое-то новое предположение о механизмах заболевания. Это то, чем занимается сейчас наша лаборатория. До нас таких данных не было получено, потому что это очень сложные эксперименты, требующие множества разрешений и согласований, — вся работа идёт на постмортальных образцах мозга человека.
По словам Екатерины Храмеевой, учёные надеются, что в результате работы будут найдены такие места в геноме, где будут заметны различия в упаковке ДНК между больными и здоровыми.
— Это нам позволит понять, на какой ген нужно смотреть, если мы хотим установить механизм развития шизофрении и других психических расстройств.
Исследовательница отметила, что первые результаты работы вселяют в учёных оптимизм: для аутизма подобным способом были подтверждены три участка в геноме — удалось точно установить, что поломка в упаковке хромосом в них привела к развитию аутизма. «Это план наших исследований в ближайшие годы, и надеюсь, что я вам через несколько лет расскажу об их результатах», — завершила она своё выступление.
Лекцию «Секрет упаковки ДНК. Жизнь под контролем структуры» можно также послушать в подкасте Ельцин Центра на платформах Google Podcast, Apple Podcast, ВК и других.
