Группа ученых Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН и Санкт-Петербургского государственного университета впервые полностью секвенировала ДНК птиц с помощью методов 3D-геномики.

Результаты исследования, которые опубликованы в журнале Nucleic Acids Research, позволят лучше понять способы пространственной укладки геномной ДНК и причины многих генетических заболеваний.

Как правило, генетический материал (молекулы ДНК) представлен в виде линейной последовательности нуклеотидов. Однако инновационные биохимические и биоинформатические методы позволили исследовать геном в трехмерном пространстве: в результате были обнаружены новые устойчивые единицы упаковки хроматина - ТАДы (топологически ассоциированные домены). ТАДы можно представить в виде районов, каждый из которых включает определенный набор генов и регулирующие их последовательности. Такие домены эволюционно консервативны: во-первых, они возникают на одном и том же месте (топологически ассоциированы), а во-вторых, присутствуют в большинстве клеток многих организмов, включая человека. Сейчас генетики по всему миру продолжают исследование ТАДов у разных животных.

Так, ученые СПбГУ совместно с коллегами из Новосибирска впервые провели полногеномный анализ птицы, изучив архитектуру ДНК домашней курицы. Специалисты Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН собрали данные об архитектуре генома методами захвата конформации хроматина и секвенирования нового поколения (Hi-C) с последующим биоинформатическим анализом, а цитологи СПбГУ проверили достоверность и визуализировали эти результаты с помощью микроскопии (флуоресцентная situ-гибридизация).

Группа российских ученых выяснила, что у домашней курицы есть ТАДы на уровне всего генома, а значит, такой способ укладки ДНК общий не только для млекопитающих, но и для птиц. Кроме того, несмотря на то, что геном курицы небольшой, размеры ее топологически ассоциированных доменов практически сопоставимы с человеческими (от 700 тысяч до одного миллиона пар нуклеотидов).

"У разных классов организмов можно найти общие последовательности генов - довольно протяженные районы. Когда геном перестраивается (например, в результате эволюции), район перемещается в другое место. Точки разрывов в большинстве случаев оказываются именно на границе ТАДов, а не внутри. Таким образом, топологически ассоциированные домены в этих районах удерживают свою структуру, то есть остаются эволюционно консервативными и сохраняются даже у очень далеких видов. Другими словами, ТАД - это устойчивая структурная единица, которая обеспечивает правильную работу генов", - пояснила соавтор исследования, доцент СПбГУ Алла Красикова.

В перспективе исследование архитектуры генома может дать толчок к изучению многих генетических заболеваний, которые происходят из-за разрушения границ ТАДов, среди них - лейкемия и другие типы рака, акропекторовертебральная дисплазия (F-синдром), демиелинизирующая лейкодистрофия, мезомелическая дисплазия. "Полное понимание механизма формирования петлевых структур ДНК в составе ТАДов поможет редактировать их границы в случае их разрушения и подбирать соответствующую терапию в зависимости от причины, по которой произошла опухолевая трансформация клетки", - комментирует ведущий научный сотрудник Института цитологии и генетики СО РАН кандидат биологических наук Вениамин Фишман.

Кроме того, данные 3D-геномики будут полезны и для селекции. Например, информация о границах топологически ассоциированных доменов потенциально позволит проводить манипуляции с генами, которые отвечают за яйценоскость или морозостойкость у домашних куриц. Так, во Франции уже существует целый международный проект FR-AgENCODE, в рамках которого ученые собирают массивы данных об архитектуре генома разных сельскохозяйственных животных.

Еще одно открытие ученые СПбГУ и Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН сделали, сравнив в геноме домашней курицы ТАДы двух типов клеток - эритроцитов и эмбриональных фибробластов. Эритроциты - это красные кровяные клетки, которые содержат гемоглобин и ответственны за перенос кислорода. У птиц в этом типе клеток крови есть ядро, в отличие от млекопитающих, у которых ядро вместе с геномом утрачивается в процессе созревания. Эритроциты кардинально отличаются от обычных клеток другой укладкой генома, меньшим размером ядра и неактивностью генов. Группа исследователей установила, что помимо прочих отличий в эритроцитах нет и ТАДов. В перспективе сравнительный анализ обычных клеток и эритроцитов может помочь ученым выяснить механизмы возникновения и исчезновения топологически ассоциированных доменов.

"Сегодня у ученых есть множество гипотез о том, каким образом ТАДы формируются, сохраняют свою структуру и собираются после митоза (деление клетки). Например, в митотических хромосомах, которые участвуют в митозе, топологически ассоциированных доменов тоже нет. Но когда хромосомы деконденсируются в следующей фазе, ТАДы собираются снова, причем каждый раз примерно в том же самом месте. Можно предположить, что есть какие-то механизмы, которые скручивают район хроматина (ТАД) именно в том месте, где он был до этого. Эти механизмы еще предстоит выяснить", - отметила доцент СПбГУ Алла Красикова.

Перспектива продолжения исследования также состоит в возможности сравнения доменов хроматина в соматических и половых клетках. Так, ученые СПбГУ совместно с коллегами из Новосибирска планируют с помощью методов Hi-C и флуоресцентной in situ-гибридизации изучить архитектуру генома в гигантских хромосомах типа ламповых щеток (напоминающих ершики для чистки стекол керосиновых ламп), характерных для растущих ооцитов.

Источники

Впервые охарактеризована архитектура генома птиц
Mukola.net, 25/11/2018
Ученые впервые охарактеризовали архитектуру генома птиц
Земля. Хроники жизни (earth-chronicles.ru), 25/11/2018
Впервые охарактеризована архитектура генома птиц
Новости России и Мира (novostidny.ru), 25/11/2018
Научный микроблог
ФСМНО (sciencemon.ru), 10/12/2018

Похожие новости

  • 05/12/2016

    Сибирские генетики и управление фотосинтезом

    ​Ученые Новосибирского государственного университета и Института цитологии и генетики СО РАН отвечают на вопрос о том, как на генетическом уровне регулируется синтез и распределение хлорофилла в разных органах растений, исследуя геномы обычного ячменя и ячменя частичного альбиноса, у которого нарушена выработка хлорофилла.
    1831
  • 10/11/2016

    О перспективных направлениях исследований в области биоэнергетики

    ​Academcity продолжает анонсировать инновационные решения, которые будут представлены на форуме "Инновационная энергетика". Сегодня предлагается ознакомиться с перспективным направлением исследований в области биоэнергетики.
    1257
  • 07/03/2018

    Ученые установили, что длительные конфликты изменяют строение мозга

    Ученые из Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН показали, что у самцов мышей, 20 дней находившихся в условиях постоянных конфликтов с враждебно настроенными представителями своего же вида, в различных отделах мозга повышается или снижается экспрессия генов семейства коллагена.
    476
  • 25/08/2016

    Новосибирские генетики создали маркер для обнаружения раковых клеток

    ​В Новосибирске научились определять среди клеток рака "ключевых убийц", виновных в возникновении опухолей. Однако без господдержки маркер не сможет послужить людям.Ученые всего мира ищут способ победить рак, пытаясь создать препарат, с помощью которого можно отслеживать и помечать опасные клетки.
    1678
  • 19/11/2018

    Биолог из Новосибирска разработал мобильное приложение для сельского хозяйства

    Труд агрономов и селекционеров иногда содержит очень утомительные операции. Например, периодически им требуется подсчитывать количество зерен в колосьях пшеницы. Не делать этого вручную позволяет мобильное приложение SeedCounter, которое вместе с коллегами создал биолог Михаил Генаев из Новосибирска.
    100
  • 27/07/2017

    Учёные ИЛФ СО РАН разрабатывают методы диагностики диабета с помощью терагерцового излучения

    Исследователи из Института лазерной физики СО РАН развивают метод импульсной терагерцовой спектроскопии для диагностики сахарного диабета по характеристикам воды в плазме крови. Также учёные работают над созданием технологии неинвазивного определения этого заболевания.
    890
  • 28/08/2018

    Новосибирские ученые создали прибор для диагностики заболеваний печени на ранней стадии

    ​Уникальный аппарат для диагностики заболевания печени на ранней стадии с помощью глубокого зондирования клеток разработали ученые Государственного научного центра вирусологии и биотехнологии (ГНЦ ВБ) "Вектор" Роспотребнадзора и двух научных институтов Сибирского отделения РАН, сообщил в понедельник в рамках Международного форума "Технопром-2018" в Новосибирске ведущий научный сотрудник ГНЦ ВБ "Вектор" Владимир Генералов.
    314
  • 03/02/2016

    Для чего ученые красят пшеницу?

    ​​​​Ученые Федерального исследовательского центра "Институт цитологии и генетики СО РАН" (ИЦиГ СО РАН) ищут новые пути повышения устойчивости ведущих злаковых культур к неблагоприятным условиям, а также работают над повышением питательных свойств зерна пшеницы.
    3129
  • 27/11/2018

    Крыса узнает ракового больного по запаху: уникальное открытие российских ученых

    ​Первый в мире диагностический прибор с использованием... спящей крысы представят в среду ученые в Ростовском научно-исследовательском онкологическом институте Минздрава РФ. С помощью его можно обнаруживать рак легких, туберкулез и другие опасные заболевания на самых ранних стадиях.
    556
  • 13/04/2016

    В ИЦИГ СО РАН создают базу данных для обработки научной информации

    ​В Федеральном исследовательском центре «Институт цитологии и генетики СО РАН» разрабатывают универсальную систему для поддержки селекционно-генетических экспериментов, пока что тестируя ее на проектах, связанных с изучением пшеницы.
    1490