ДНК не нуждается в активации, что меняет представления о зарождения жизни

Фото из открытых источников

ДНК в только что оплодотворенной яйцеклетке уже сформировала организованную трехмерную структуру до того, как эмбрион начнет использовать свои собственные гены. Эта ранняя архитектура опровергает идею генетического чистого листа и показывает, что инструкции для развития закладываются заранее.

На 45 снимках быстро делящихся эмбрионов плодовых мушек этот узор продолжал появляться даже в процессе многократной перестройки ядер. В Лаборатории медицинских наук MRC (LMS) Нура Мазиак и ее коллеги проследили эти контакты на протяжении первых быстрых делений эмбриона. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

На картах Мазиак были видны небольшие петли и резкие границы, появившиеся до основного всплеска использования генов, а не после него. Такой ранний порядок означает, что эмбрион не ждал активации, чтобы начать формировать контроль над тем, какие гены будут включены позже.

Примерно за 2,5 часа эмбрион плодовой мухи может произвести более 6000 ядер, что делает определение времени раннего развития необычайно простым. Сначала эмбрион использует молекулы, хранящиеся в яйцеклетке, затем на этапе, известном как активация зиготического генома, управление переходит к его собственным генам.

Исследователи отмечают меньшую по численности волну в начале эры примерно в восьмом дивизионе и большую — примерно в четырнадцатом. Такой график позволяет команде задаться вопросом, следует ли структура за активностью генов или же незаметно готовится к ней.

Для регистрации этих мельчайших складок команда разработала метод Pico-C, предназначенный для работы с очень маленькими образцами. Новый метод основан на Micro-C, более ранней методике, позволяющей детально, в трехмерном пространстве, отображать взаимодействие фрагментов ДНК.

Вместо того чтобы требовать больших выборок, Pico-C создал высококачественные карты примерно из 10 эмбрионов на одной из ключевых стадий развития, или приблизительно из 60 000 ядер. По сравнению со стандартными методами, метод Pico-C позволил использовать примерно в десять раз меньше материала, что значительно упростило изучение редких ранних эмбрионов. Благодаря снижению потерь образцов исследователи могут наблюдать за процессом сворачивания генома на тех этапах, которые старые методы часто размывали или пропускали.

По мере деления эмбриона новые карты показывают, что петли формируются уже на девятом ядерном цикле. В некоторых регионах границы постепенно становились всё более чёткими, что означает, что соседние участки ДНК всё больше разделялись.

Другие петли были временными и специфичными для конкретного этапа, поэтому каркас появлялся отдельными этапами, а не сразу. Такая модель ослабляет старое представление о бесформенном начале и заменяет его ранней, упорядоченной сборкой.

Сворачивание в 3D-пространстве имеет значение, потому что гены активируются неравномерно; доступ к ним зависит от того, какие участки ДНК встречаются, а какие остаются разделенными. В этом смысле каркас позволяет одним управляющим сигналам достигать своих целей, блокируя при этом другие.

«Раньше мы считали период до пробуждения генома временем хаоса», — сказала Мазиак.

Ее точка зрения совпадала с данными: структура формировалась достаточно рано, чтобы влиять на последующую активность генов, а не просто отражать ее.

Когда команда заблокировала этап, обеспечивающий удлинение новых копий РНК из ДНК, некоторые ранние петли все еще сохранялись. Области начала генов ослабевали чаще, что указывает на то, что некоторые части генного каркаса зависят от активности генов в большей степени, чем другие.

В более раннем исследовании утверждалось, что архитектура генома в основном формировалась с активацией зиготы, поэтому эти устойчивые петли пересматривают эту временную шкалу. Результат указывает на то, что причиной является не один единственный фактор, а многоуровневый процесс с несколькими отдельными механизмами управления.

Компьютерные модели, обученные на самой последовательности, предсказали, что ни один отдельный мотив — короткий ДНК-участок, распознаваемый белками, — не объясняет структуру структуры. Наиболее сильную реакцию вызывали участки ДНК вблизи начала генов, то есть небольшие изменения последовательности в этих областях могли повлиять на структуру соседних участков.

Одновременно появилось несколько потенциальных регуляторов, включая факторы, уже известные в эмбрионах мух, и другие, ранее не связанные с трехмерной структурой. Такое сочетание противоречит предположению о существовании единственного доминирующего фактора и поддерживает аддитивную систему, построенную из множества более мелких последовательностей входных данных.

Затем исследователи удалили из ранних эмбрионов Zelda и GAF — два ключевых фактора, способствующих раскрытию ДНК. Повреждения возникали в тех местах, где эти факторы обычно действуют, в то время как области, контролируемые другими белками, изменялись незначительно или не изменялись вовсе.

Блокирование обоих факторов приводило к более значительным структурным потерям, чем блокирование только производства РНК, что позволяет поместить эти белки на более раннее место в цепочке. Эксперимент предполагает, что на ранних этапах построения генома используются различные пути, которые могут перекрываться в некоторых местах, не сливаясь в одну систему.

В ходе сопутствующего исследования на клетках человека отслеживалось, что происходит, когда нарушаются «якоря», удерживающие неподвижную ДНК на месте. Когда ключевые стабилизирующие белки были удалены, плотно упакованная ДНК, которую клетки обычно держат в выключенном состоянии, отдалялась от края ядра.

Этот коллапс активировал врожденную иммунную систему, встроенный механизм быстрого реагирования клетки и нарушил генный контроль, связанный с судьбой клетки. Таким образом, открытие, начавшееся на мухах, затрагивает вопросы заболеваний, воспалений и рисков, связанных с разрушением архитектуры генома.

Новая картина раннего эмбриона представляет собой не пустую, хаотичную ДНК, а каркас, сформированный еще до начала основной генной активности. Благодаря инструментам, требующим значительно меньшего количества материала, исследователи теперь могут проверять, как нарушается этот порядок при бесплодии, врожденных дефектах, раке и воспалении.