Различия в «упаковке» ДНК разных типов клеток мозга раскрыли в Сколтехе
Различия в «упаковке» ДНК в ядрах разных типов клеток мозга впервые изучили российские ученые. Для этого исследователи собрали образцы тканей, извлеченных из верхней височной извилины. Им удалось определить, что «упаковка» ДНК в таких клетках отличается и связана с их функциями.
Значимость исследований
Сотрудники Сколтеха с коллегами из МГУ и других российских институтов исследовали особенности регуляции нервных клеток. Знание механизмов регуляции поможет лучше понять работу здорового мозга и определить, что идет не так при некоторых болезнях развития и онкологических заболеваниях, связанных с ошибками регуляции.
Механизмы регуляции
Один из основных механизмов регуляции активности генов основан на пространственной структуре ДНК: то, каким образом нити ДНК суммарной длиной несколько метров в каждом клеточном ядре «свернуты» в пространстве, делает возможным включение и выключение правильных генов на той или иной стадии развития клетки либо у конкретного типа или подтипа клетки.
В тормозных и в возбуждающих нейронах должна выполняться разная генетическая программа. Нужны разные гены. И правильная «упаковка» ДНК, наряду с другими механизмами, позволяет этого добиться.
Различия в «упаковке» ДНК обеспечивается особыми генами. Они взаимодействуют с белками, которые сворачивают молекулу необходимым образом. Если с этими генами проблема, ДНК упаковывается неправильно, регуляция генов в клетке нарушается. Это приводит к болезни.
«Наша работа помогает лучше понять эти болезни и регуляцию активности генов в здоровых клетках, — рассказал первый автор исследования Илья Плетенев, аспирант программы „Науки о жизни“ Сколтеха.
В данном случае мы показали, что, во-первых, у нейронов „ненужные“ гены сгруппированы. Они находятся в пространстве друг рядом с другом. Даже если в распрямленной цепи ДНК оказались бы далеко. Мы предполагаем, что это позволяет надежнее их выключать белкам-репрессорам. Во-вторых, мы показали, что на ДНК нейронов и глиальных клеток в разных местах образуются петли. Причём в основании петель группируются именно те гены, которые нужны клетке того или иного типа, что предположительно упрощает белкам-активаторам задачу их одновременного включения.
В дополнение к этому, ученые обнаружили различия и в структуре белковой оболочки ДНК в возбуждающих нервных клетках и в других типах нейронов. Они значимым образом влияли на уровень активности генов внутри них. В частности, в их число вошли регионы в окрестностях генов DLX5, SOX2, GAD2, SLC32A1 и ARX, связанных с выработкой и считыванием нейрохимических сигналов.
Подобные различия в трехмерной структуре генома и в характере его «упаковки» не являются случайными. Они помогают нейронам и вспомогательным клеткам мозга эффективнее подавлять работу «ненужных» генов. А также активнее считывать жизненно важные участки ДНК, как предполагают ученые. Понять, какую роль нарушения в структуре «упаковки» ДНК играют в развитии различных психических расстройств и нейродегенеративных заболеваний, позволит дальнейшее изучение подобных различий между ними.
Методика исследований
Различия в «упаковке» ДНК Исследователи изучили в разных типах нервных клеток мозга. И в его вспомогательных клетках, таких как астроциты и микроглия. Они использовали светящиеся метки для выделения различных клеток. Извлекли их ядра и изучили структуру ДНК. В результате сравнения образцов учёные выявили значительные различия в упаковке генома между разными типами клеток. И даже внутри нервных клеток различных функций. Также учёные выяснили, что в разных типах клеток образуются петли на ДНК, где сосредотачиваются нужные гены. Это может упростить их активацию.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда и опубликовано в журнале Nucleic Acids Research.