Как на самом деле выглядят хромосомы
Мы привыкли к схематическим изображениям хромосом из учебников, но в жизни они выглядят иначе
Способ визуализировать хромосому в 3D изобрели ученые из Гарвардского университета, тем самым показав, насколько непростая у нее структура.
На изображении, опубликованном в Cell, нет и следа привычной нам Х-образной формы. «В 90% случаев хромосомы так не существуют», – говорит ученый-врач Джун-Хан Су, один из авторов разработки (Su et al., Genome-Scale Imaging of the 3D Organization and Transcriptional Activity of Chromatin).
С помощью своего нового метода 3D-визуализации с высоким разрешением команда начала строить хромосомную карту, которая объединяла 46 снимков хромосом с широким объективом и крупные планы одной хромосомы. Затем команда зафиксировала геномные локусы вдоль каждой из цепочек ДНК, как сообщает пресс-релиз Picture this: Chromosomes look different than you think.
Чтобы изобразить что-то, что еще слишком мало для изображения, ученые захватили связанные точки («геномные локусы») вдоль каждой цепи ДНК. Соединив множество точек, они смогли сформировать исчерпывающую картину структуры хроматина.
Но тут была загвоздка. Ранее Чжуан сказал, что количество точек, которые они могли изображать и идентифицировать, ограничивалось количеством цветов, которые они могли изображать вместе: три. Три точки не могут составить целостную картину.
Итак, Чжуан и ее команда придумали последовательный подход: визуализируйте три разных локуса, подавляйте сигнал, а затем визуализируйте еще три в быстрой последовательности. При использовании этого метода каждая точка получает две опознавательные метки: цветную и круглую.
С помощью своих 3D-карт генома в Google они могут начать анализировать, как структура меняется со временем и как эти территориальные перемещения помогают или вредят делению и репликации клеток.
Итак, ученые соединили точки и сформировали исчерпывающие изображение структуры хроматина.
«Теперь у нас есть 60 локусов, которые одновременно визуализируются, локализуются и, что важно, идентифицированы», – пояснил старший научный сотрудник Сяовей Чжуан из Гарвардского университета. «Очень важно определить трехмерную организацию, – сказал Чжуан, – чтобы понять молекулярные механизмы, лежащие в ее основе, а также понять, как эта организация регулирует функцию генома».
3D карты генома Google
Чтобы охватить весь геном, команда использовала тысячи изображений и обратилась к языку, который уже используется для организации и хранения больших объемов информации – двоичному.
По сути, команда создала 3D-карты генома Google Maps, которые затем позволили им начать анализ структурных изменений с течением времени.
Запечатывая двоичные штрих-коды на разных локусах хроматина, ученые могли отображать гораздо больше локусов и позже расшифровывать их. Например, молекула, изображенная в первом приближении, получает штрих-код, начинающийся с «10». С 20-битными штрих-кодами команда смогла различить 2000 молекул всего за 20 циклов визуализации. «Таким комбинаторным способом мы можем гораздо быстрее увеличить количество отображаемых и идентифицируемых молекул», – сказал Чжуан. С помощью этого метода команда визуализировала около 2000 локусов хроматина на клетку, что более чем в десять раз больше по сравнению с их предыдущей работой и достаточно, чтобы сформировать изображение с высоким разрешением того, как выглядит структура хромосом в естественной среде обитания. Но они не остановились на этом: они также визуализировали активность транскрипции (когда РНК реплицирует генетический материал из ДНК) и ядерные структуры. С помощью своих 3D-карт генома в Google они могут начать анализировать, как структура меняется со временем и как эти территориальные перемещения помогают или вредят делению и репликации клеток.
Исследователи уже знают, что хроматин разбит на разные области и домены (например, пустыни или города). Но как эти ландшафты выглядят в разных типах клеток и как они функционируют, до сих пор неизвестно. С помощью изображений с высоким разрешением Чжуан и его команда определили, что области с большим количеством генов («богатые генами») имеют тенденцию скапливаться к аналогичным областям на любой хромосоме. Но области с небольшим количеством генов («бедные генами») объединяются, только если они имеют одну и ту же хромосому. Одна из теорий состоит в том, что богатые генами области, которые являются активными сайтами транскрипции генов, объединяются, как фабрика, чтобы обеспечить более эффективное производство.
Хотя перед подтверждением этой теории необходимы дополнительные исследования, теперь ясно одно: локальная среда хроматина влияет на активность транскрипции. Структура влияет на функцию. Команда также обнаружила, что никакие две хромосомы не выглядят одинаково, даже в клетках, которые в остальном идентичны. Чтобы узнать, как выглядит каждая хромосома в каждой клетке человеческого тела, потребуется гораздо больше работы, чем одна лаборатория может выполнить в одиночку. Команда поделилась своими данными на GitHub , чтобы другие исследователи могли посмотреть и продолжить анализ.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru