Перерывы в геноме

Разрывы в геноме
Хромосомы окрашивают флуоресцентными красителями под микроскопом. В то время как вся ДНК окрашена в синий цвет, определенная последовательность, окрашенная в розовый цвет, кажется дублированной в одной из двух копий хромосомы 17, но не в другой. Эта часть была продублирована и вставлена ​​в другую часть той же хромосомы, что приводит к заболеванию. Предоставлено: MPIMG/Uirá Souto Melo.

Разрывы и перестройки в геноме могут привести к серьезным заболеваниям, даже если все гены остаются нетронутыми. Hi-C, метод для картирования трехмерной структуры хромосом, обещает более надежную и точную диагностику таких дефектов, но еще не используется в клинике. Группа исследователей из Института молекулярной генетики им. Макса Планка и Университета Charité – Universitätsmedizin Berlin, возглавляемая генетиками-людьми Мальте Шпильманном и Стефаном Мундлосом, проанализировала клинические образцы пациентов с генетическими нарушениями развития с помощью метода Hi-C.

Уже одна мутация в геноме может иметь серьезные последствия. Однако потеря больших участков генома или их перемещение в новые позиции также могут иметь драматические последствия. Часто клетки с такими дефектами даже не жизнеспособны, поскольку потеря или смена генов приводит к потере важных функций.

Даже если все гены остаются нетронутыми после хромосомного разрыва, могут возникнуть серьезные проблемы. Сегменты ДНК, отвечающие за контроль над другими генами, могут попасть в неправильное место, активируя гены в неподходящее время или место. Следовательно, могут возникнуть рак, нейродегенеративные заболевания или нарушения развития.

Исследование петель генома

Несмотря на огромный прогресс в генетическом тестировании, выявление генетических причин таких заболеваний остается трудным. «Примерно в половине случаев генетический диагноз невозможен, и пациент остается неуверенным в происхождении проблемы», — говорит Стефан Мундлос из Института молекулярной генетики и Charité Макса Планка — Universitätsmedizin Berlin. «В некоторых случаях даже секвенирование всего генома не помогает».

Как описывают команды под руководством генетиков-людей Стефана Мундлоса и Малте Шпильманна в текущем выпуске Американского журнала генетики человека, метод фундаментальных исследований может значительно улучшить клиническую диагностику в какой-то момент будущее. Исследователи применили метод под названием «Hi-C» (высокопроизводительный захват хромосомных конформаций) для образцов пациентов с нарушениями развития, предположительно вызванными хромосомными перестройками. Анализ Hi-C показывает, какие части генома находятся близко друг к другу в ядре клетки. Хромосомные перестройки могут изменить эти паттерны взаимодействия и, таким образом, это можно увидеть в анализе.

Команда исследовала клинические образцы крови, кожи и околоплодных вод девяти пациентов с хромосомными нарушениями, но без повреждения известных генов. «Мы спросили, можем ли мы использовать Hi-C для воспроизведения клинических результатов или мы можем даже увидеть больше?» говорит Шпильман, который вел исследование вместе с Мундлосом. «На самом деле результаты оказались намного сложнее, чем мы ожидали».


Разрывы в геноме
Пара окрашенных хромосом под микроскопом. Хромосома справа приобрела дополнительную часть путем дублирования участка ДНК, что видно по дополнительной полосе (стрелка). Предоставлено: MPIMG/Uirá Souto Melo.

Hi-C распутывает высоко дезорганизованные хромосомы

Классический анализ хромосомных дефектов проводится с помощью кариограммы, которая представляет собой микроскопическое изображение окрашенных хромосом. Другой метод, называемый сравнительной гибридизацией генома, работает с фрагментами флуоресцентной ДНК и более точно показывает разрывы и дупликации в геноме. Однако оба метода являются относительно грубыми. «Это видно, когда что-то не так в крупном масштабе, но трудно сказать, что именно не так», — говорит Уира Соуто Мело. Он, вместе с Росио Акуна-Идальго и Робертом Шопфлином, являются первыми авторами этой публикации.

Важно не только увидеть, где находятся разрывы в геноме, но также и то, какие части молекулы ДНК находятся в тесном контакте друг с другом в ядре клетки, объясняет ученый. «ДНК не случайно упакована в ядро», — объясняет Мело. «Вместо этого ДНК невероятно хорошо организована с несколькими уровнями организации и четко определенными территориями, хотя на первый взгляд это не выглядит так». Пока что метод Hi-C является единственным способом точного картирования многочисленных строп и петель ДНК по всему геному.

Петли и треугольники

Мело выполнил Hi-C на клетках пациента, обработав их химическими веществами, которые сначала постоянно связывают сегменты соседней ДНК друг с другом, затем фрагментируют геном и, наконец, секвенируют маленькие кусочки. Фрагменты, которые изначально были близки к клеточному ядру, встречаются вместе при секвенировании позже.

После биоинформационного анализа частота контактов становится видимой на так называемых тепловых картах, где интенсивность цвета каждой точки отражает частоту касания двух областей генома в образце. «Части генома с интенсивными контактами внутри региона и некоторой изоляцией в направлении соседних регионов выглядят как характерные треугольные формы на тепловой карте», — говорит биоинформатик Роберт Шёпфлин. «Такие области образуют большие петли в ДНК, которые играют важную роль в функциональной организации регуляторных последовательностей и генов». Регионы называются «топологически ассоциированными доменами» (TAD); они представляют области высокого взаимодействия в трехмерном пространстве.

Разрывы в геноме
Карта контактных частот в разрезе генома. Интенсивность цвета каждой точки представляет частоту контакта между двумя точками генома. Особенно частые контакты видны в двух больших областях генома, выглядящих как большие, отчетливые треугольники с сильной границей между ними. Кредит: Уира Соуто Мело/MPIMG

Важность границ

Хромосомные разрывы часто приводят к разрушению хроматиновых доменов, иногда с серьезными последствиями. «Представьте себе эти домены как камеры в стеклянном резервуаре с маслом, водой и солью в отдельных камерах», — говорит Мело. «Когда граница между ними нарушается, содержимое смешивается, и состав в каждой камере явно меняется».

Аналогично, без границ TAD функции управления от одного домена перетекают в другой, поскольку регуляторные последовательности из петли ДНК влияют на гены в петле, за которые они не несут ответственности. Это может привести к аберрантной активации генов неправильными регуляторами. «Когда граница, разделяющая два домена, удалена или если содержимое двух доменов поменяно местами, может активироваться ген, который обычно активен в развивающейся конечности, например, в мозге», — говорит ученый.

В изученных клинических образцах команда смогла не только подтвердить имеющиеся данные и определить влияние неправильно организованных петель TAD. Они даже нашли некоторые дополнительные перерывы, которые были пропущены классической диагностикой.

Путь к клинике

«Завтра у меня будет возможность использовать Hi-C в клинике», — говорит Мело. «Но, к сожалению, это пока невозможно». Метод все еще слишком дорог и сложен для рутинных испытаний. Тем не менее, ученый видит большой потенциал для оптимизации в относительно новом методе. Многие лабораторные работы могут быть автоматизированы, алгоритмы могут быть улучшены, и можно сократить последовательность, говорит исследователь. «Прямо сейчас мы должны обратиться к нашим коллегам в области генетики и медицины человека по всему миру, чтобы превратить этот лабораторный метод в настоящий метод диагностики».

Похожие новости

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *