Японски изследователи установиха, че правилното възстановяване на триизмерната структура на хромозомите след клетъчното делене е необходимо за нормалното начало на копирането на ДНК. Резултатите показват, че за контрола на този процес значение има не само последователността на ДНК, но и начинът, по който геномът е пространствено организиран в клетъчното ядро.
Съвместният екип на RIKEN – Центъра за биологични науки и Института по биомедицина към Киотския университет е изследвал как пространственото подреждане на генома е свързано с т. нар. време на репликация – моментът от клетъчния цикъл, в който различните участъци на ДНК се копират.
Преди клетката да се раздели, нейният геном трябва да бъде точно копиран. Този процес протича през S-фазата на клетъчния цикъл, но различните участъци на ДНК не се копират едновременно. Едни се репликират в началото на S-фазата, а други – по-късно.
Геномът в клетъчното ядро е организиран в големи пространствени области, известни като A- и B-компартменти. A-компартментите обикновено съдържат участъци с по-активно работещи гени и се репликират по-рано. B-компартментите са свързани с по-слаба генна активност, по-компактно опакована ДНК и обикновено се репликират по-късно.
При клетъчното делене тази пространствена организация временно се нарушава, след което трябва да бъде възстановена преди началото на следващата репликация на ДНК.
Досега обаче не беше ясно дали A- и B-компартментите просто отразяват вече определеното време на репликация, или самата им пространствена организация участва в контрола на този процес.
За да изследват въпроса, учените създали експериментална система с ембрионални стволови клетки на мишки, която позволява да се проследява времето на репликация на ДНК в отделни клетки. След това извършили мащабен генетичен скрининг, за да открият гени, чието нарушаване променя времето на репликация.
Сред откроилите се кандидати е GINS4 – белтък, който е част от комплекса GINS и е известен с ролята си в започването на репликацията на ДНК.
Когато изследователите специфично намалили количеството на GINS4 в клетките, се оказало, че последствията не се ограничават до самата репликация. Нарушила се и пространствената организация на генома.
Особено засегнати били B-компартментите. Обикновено те се намират предимно в близост до ядрената мембрана и са пространствено отделени от A-компартментите. При клетките с недостиг на GINS4 това разделение било нарушено, а участъци от B-компартментите образували необичайно големи струпвания във вътрешността на ядрото.
След това учените възстановили количеството на GINS4 непосредствено преди началото на S-фазата.
Когато необичайната структура на B-компартментите се възстановявала, клетките можели да започнат репликация на ДНК. При клетките, в които структурните нарушения продължавали, репликацията не започвала.
Това е един от ключовите резултати на изследването. Той показва, че възстановяването на организираната триизмерна структура на генома непосредствено преди S-фазата не е просто следствие от подготовката за репликация, а е необходимо условие за нейното нормално начало.
Изследователите установили и още нещо. При частично възстановена пространствена организация на генома репликацията все пак можела да започне, но времето ѝ било нарушено. Някои участъци от B-компартментите, които нормално се копират по-късно, започвали да се репликират още в началото на S-фазата.
Така резултатите свързват две характеристики на генома – неговата триизмерна организация и времето на репликация на различните му участъци.
Изследването предлага нова представа за начина, по който клетката контролира копирането на генетичния материал. Последователността на ДНК съдържа генетичната информация, но според японските учени правилното копиране зависи и от това как тази информация е пространствено организирана в ядрото.
Нарушенията в репликацията или в нейното времево регулиране са свързани с геномна нестабилност и с развитието на някои заболявания, включително рак. Затова откритието може в бъдеще да помогне за по-доброто разбиране на механизмите, чрез които нарушенията в организацията на генома допринасят за заболяванията.
Учените предстои да изяснят как точно GINS4 контролира образуването и узряването на B-компартментите непосредствено преди началото на репликацията и с кои други молекули взаимодейства при този процес.
Изследването на екипа на RIKEN и Киотския университет е публикувано онлайн в списание Nature Communications.
Коментари