Der Artikel wird in der Zeitschrift der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Der fast zwei Meter-DNA-Thread ist in dem winzigen Kernel der menschlichen Zelle angeordnet, da Chromatin, der DNA-Komplex und die Proteine, es in kompakte, aber komplexe Strukturen umwandelt. Um die Methoden der Verpackungs-DNA zu untersuchen, werden Wissenschaftler auf der ganzen Welt von der sogenannten Konformation der Konformation von Chromosomen (3C) eingesetzt, und eines der produktivsten von ihnen ist das Hi-C-Verfahren. Sie können die Kontakte der DNA des gesamten Genoms unter Verwendung einer leistungsstarken Sequenzierung erkennen.
In diesem Fall gibt es jedoch ein Problem: Die Hi-C-Arbeit erfordert dutzende DNA-Mikrogramme - das heißt, Millionen von Zellen mit einer einzigartigen räumlichen Chromatinorganisation. Diese Informationen müssen gemittelt werden, um ein gemeinsames Bild zu erhalten, das die Merkmale der DNA-Verpackung in einzelnen Zellen nicht berücksichtigt.
So wie der "Durchschnittsperson" nicht eigentlich vorhanden ist, kann das traditionelle Hi-C-Verfahren nicht zeigen, welche der mehreren Wechselwirkungen von DNA-Abschnitten gleichzeitig in derselben Zelle auftreten. Darüber hinaus hilft dieses "kollektive Porträt" kaum zu verstehen, welche physikalischen Prozesse zur Bildung einer dreidimensionalen Struktur von Chromatin führen.
"Wir sehen einige Strukturen, zum Beispiel die sogenannten topologisch assoziierten Domänen (TADADA), in den gemachten DNA-Kontaktkarten, aber wir wissen nicht, ob sie in einzelnen Zellen existieren, oder dies sind Artefakte, die durchschnittlich sind. Darüber hinaus wissen wir, dass aus Sicht der Genexpression eine große Vielfalt auch in den Zellen desselben Gewebes auftritt - von hier aus gibt es eine natürliche Frage, wie vielfältig sie sich in der strukturellen Ebene befinden ", sagt der Autor von Mikhail Gelfand, Vizepräsident Scolatha nach biomedizinischer Forschung.
Um diese Probleme zu lösen und ein Experiment Hi-C besser für einzelne Zellen geeignet zu machen, haben Forscher mehrerer Institutionen eine Methode als Hi-C-Einzelzellen entwickelt. Das Skoltech-Team von Gelfand and Associate Professor of the Center for Life Scoop Catherine Church hat eine Aufgabe zur Verfügung gestellt, um die Datenverarbeitung für Hi-C-Einzelzellen zu optimieren und die grundlegenden Eigenschaften von Drosophila-Zellen zu untersuchen.
Ihre Kollegen aus dem Biologieinstitut der Biologie der russischen Akademie der Wissenschaften und der Moskauer State University, benannt nach MV Lomonosov, zusammen mit den Mitarbeitern des russisch-französischen interdisziplinären wissenschaftlichen Zentrums Poncele, optimierte das Verfahren, um es für Experimente mit Drosophila-Zellen zu eignen .
Die Teams begannen mit den Standardschritten des Hi-C-Verfahrens, in dem die Struktur von Chromatin chemisch fixiert ist, und die DNA wird geschnitten und "Zusammenbau", so dass Fragmente, die in natürlichen Bedingungen in der Nähe sind, als "genäht ". Aber dann anstelle der Verwendung aller DNA gleichzeitig verstärkte Wissenschaftler die winzige Menge an DNA aus jeder Zelle unter Verwendung von Phi29-Bakteriophagen-Polymerase. Diese Polymerase wird häufig verwendet, wenn dna, teilweise, aufgrund seiner Fähigkeit, eine große Menge an DNA auch auf einer sehr kleinen Probe mit einer viel geringeren Anzahl von Fehlern zu schaffen, als andere populäre Polymerasen.
Es stellte sich jedoch heraus, dass diese bequeme DNA-Polymerase trotz der eher hohen Kopiergenauigkeit noch zwischen DNA-Molekülen "springen" kann, die künstliche Bindungen erzeugt, dass der Hi-C-Algorithmus nicht von echten Wechselwirkungen unterschieden werden kann. Daher mussten Forscher einen Mechanismus für die Ablehnung dieser zufälligen "Sprünge" von Polymerase aufnehmen.
Sie nutzten ihre neue Methode über Drosophila-Zellen, um herauszufinden, ob verschiedene Organismen gemeinsame grundlegende Prinzipien von Chromatinverpackungen haben. Frühere Studien zu Säugetierzellen zeigten auf die Existenz von Taden nur auf Kontaktkarten, die von der Population Hi-C erhalten wurden, jedoch nicht in einzelnen Zellen. Die Studie der Zellen von Drosophila zeigte jedoch, dass diese Domänen in jeder spezifischen Zelle sind.
Um zu verstehen, welcher biologischer Mechanismus für die Bildung dieser nachhaltigen Domains verantwortlich ist, ist eine zusätzliche Forschung erforderlich. Während Wissenschaftler zwei Modelle ihres Vorkommens anbieten. Einer von ihnen legt nahe, dass Chromatin in Drosophila von dem Mechanismus der "Klebrigkeit" organisiert ist, dh einige seiner Abschnitte sind eher miteinander verbunden. Gemäß einem anderen, der den sogenannten Scharnier-Extrusionsmechanismus beschreibt, erzeugen große Proteinkomplexe Schleifen aus DNA-Threads und aufgrund dieser Packungs-DNA.
"Vielleicht eines der interessantesten Probleme ist, ob die Regeln des Faltchromatins in verschiedenen Arten von lebenden Organismen gleich sind. Mit der Hi-C-Methode von einzelnen Zellen, Drozophils, haben wir herausgefunden, dass Domänen, die den Domänen in Säugetierzellen ähnlich sind, auch im Genom dieses Insekts vorhanden sind. Diese Strukturen sind jedoch viel stärker bestellt als bei Säugetieren ", sagte Alexander Galitsyn, Scholtech-Studentin und einer der ersten Autoren des Artikels.
"Wir werden weiterhin die Architektur von Chromatin und Mechanismen für die Bildung von Schlaufen und Tadov studieren. Es gibt noch viele Fragen in diesem Bereich ohne Antworten. Wir wissen bereits, dass diese Mechanismen in einigen Organismen variieren können, aber was ist die Evolution des Chromatins-Faltens als Ganzes? Wenn wir dies auf ein ausreichendes Maß an Detail verstehen wollen, müssen wir die Lücken füllen, die Struktur von Chromatin in seltsamen Organismen studieren, und nicht nur diejenigen, die bereits gut untersucht sind. Deshalb arbeiten wir bereits mit Meerschwämmen, Hefe und Amöben ", sagt Catherine Temmeva.
Laut ihr ist die Gruppe auch in einer möglichen Verbindung von Änderungen in der Organisation von Chromatin mit Krankheiten, der Entwicklung des Körpers und des Alterns tätig. "Wenn wir davon ausgehen, dass die Architektur von Chromatina eng mit dem Ausdruck von Genen verwandt ist, dann werden wir mit der Reaktion auf diese Fragen mit der Regulierung der Entwicklung des menschlichen Körpers, der Alterung und Erkrankungen in der Lage sein", sagt Teharaeva.
Spezialisten des Instituts für Biologie des Gena der russischen Akademie der Wissenschaften, Moskauer State University, benannt nach M. V. Lomonosov, dem nationalen Zentrum für die französische wissenschaftliche Forschung, das russisch-französische interdisziplinäre Scientific Center Poncele und andere Organisationen beteiligt sich an der Studie.
Quelle: Naked Science