Разрывы в геноме

Разрывы и перестройки в геноме могут привести к тяжелым заболеваниям, даже если все гены останутся нетронутыми. Hi-C, метод картирования трехмерной структуры хромосом, обещает более надежную и точную диагностику таких дефектов, но пока не используется в клинике. Группа исследователей из Института молекулярной генетики Макса Планка и Charité – Universitätsmedizin Berlin во главе с генетиками-людьми Мальте Шпильманн 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 на новые позиции также может иметь драматические последствия. Часто клетки с такими дефектами даже нежизнеспособны, поскольку потеря или изменение генов приводит к потере важных функций.

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

Исследование петель генома

Несмотря на огромный прогресс в области генетического тестирования, идентификация генетических причин таких заболеваний остается сложной задачей. «Примерно в половине случаев генетический диагноз невозможен, оставляя пациента с неуверенным в себе источником проблемы», – говорит Стефан Мундлос из Института молекулярной генетики и Шарите им. Макса Планка – Берлинского университета. «В некоторых случаях даже секвенирование всего генома не помогает».

Как описывают в текущем выпуске American Journal of Human Genetics команда генетиков человека Стефана Мундлоса и Мальте Спилманн , метод фундаментальных исследований может значительно улучшить клиническую диагностику в какой-то момент в будущем. Исследователи применили метод под названием «Hi-C» (High-throughput Chromosome Conformation Capture) к образцам от 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 изменять эти паттерны взаимодействия и, таким образом, могут быть видны при 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 данных или можем увидеть больше?» говорит Спилманн, который руководил исследованием вместе с Мундлосом. «Фактически, результаты были намного сложнее, чем мы ожидали».

Пара окрашенных хромосом под микроскопом. Хромосома справа приобрела дополнительный кусок в результате дублирования участка ДНК, что видно по дополнительной полосе (стрелка). Предоставлено: MPIMG / Uirá Souto Melo.
Hi-C распутывает сильно 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 флуоресцентными фрагментами ДНК и более точно показывает пробелы и дупликации в геноме. Однако оба метода относительно грубые. «Это видно, когда что-то не так в грубом масштабе, но трудно сказать, что именно не так», – говорит Уира Соуто Мело. Он вместе с Росио Акуна-Идальго и Робертом Шёпфлином являются первыми авторами этой публикации.

Ученый объясняет, что важно не только видеть, где находятся разрывы в геноме, но и какие части молекулы ДНК находятся в тесном контакте друг с другом в ядре клетки. «ДНК не упакована случайным образом в ядре», – объясняет Мело. «Вместо этого ДНК невероятно хорошо организована с множеством уровней организации и четко определенными территориями, хотя на первый взгляд это не так». Пока что метод Hi-C – единственный способ точно отобразить многочисленные петли и петли ДНК по всему геному.

Петли и треугольники

Мело произвел Hi-C на клетках пациента, обработав их химическими веществами, которые сначала навсегда привязывают сегменты соседней ДНК друг к другу, затем фрагментируют геном и, наконец, секвенируют маленькие кусочки. Фрагменты, которые изначально были близки в ядре клетки, позже встречаются вместе при секвенировании.

После биоинформатического анализа частота контактов становится видимой на так называемых тепловых картах, на которых интенсивность цвета каждой точки показывает, как часто касались две области генома в образце. «Части генома с интенсивными контактами внутри региона и некоторой изоляцией по отношению к соседним регионам проявляются на тепловой карте в виде характерных треугольников», – говорит биоинформатик Роберт Шёпфлин. «Такие области образуют большие петли внутри ДНК, которые играют важную роль в функциональной организации регуляторных последовательностей и генов». Области называются «топологически связанными доменами» (TAD); они представляют собой области высокого взаимодействия в трехмерном пространстве.

Карта частот контактов в разрезе генома. Интенсивность цвета каждой точки представляет частоту контакта между двумя участками генома. Особенно частые контакты видны в двух более крупных областях генома, которые выглядят как большие отчетливые треугольники с четкой границей между ними. Предоставлено: Уира Соуто Мело / MPIMG.
Важность границ

Хромосомные разрывы часто приводят к разрушению доменов хроматина, иногда с тяжелыми последствиями. «Представьте эти области 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, очевидно, меняется».

Точно так же без границ TAD функции контроля от одного домена переходят к другому, поскольку регуляторные последовательности из петли ДНК влияют на гены в петле, за которые они не несут ответственности. Это может привести к неправильной активации генов неправильными регуляторами. «Когда граница, разделяющая два домена, удаляется или содержимое двух доменов меняется местами, ген, который обычно активен в развивающейся конечности, может активироваться, например, в мозге», – говорит ученый.

В изученных клинических образцах команда смогла не только подтвердить существующие результаты, но и указать влияние неправильно организованных петель ТАД. Они даже обнаружили некоторые дополнительные перерывы, которые не учитывала классическая диагностика.

Путь в клинику

«Иметь возможность использовать Hi-C в клинике завтра было бы мечтой», – говорит Мело. «Но, к сожалению, это пока невозможно». Этот метод все еще слишком дорог и сложен для рутинных испытаний. Однако ученый видит большой потенциал для оптимизации в относительно новом методе. По словам исследователя, многие лабораторные работы можно автоматизировать, алгоритмы можно улучшить и можно сократить последовательность операций. «Прямо сейчас мы должны обратиться к нашим коллегам в области генетики и медицины человека по всему миру, чтобы превратить этот лабораторный метод в настоящий диагностический метод».

услуги нутрициологаАвтор сайта и статей: Наталья Степанова, нутрициолог-психолог, консультант по питанию и коррекции веса. Подробнее обо мне

Я в соц. сетях: Vk, Instagram.

Рейтинг
Еще статьи нутрициолога:
Adblock
detector