Международная команда ученых выяснила, как геном организуется в сложную трехмерную структуру, позволяющую активировать тысячи генов для образования сперматозоидов. Работа опубликована в журнале Nature Structural & Molecular Biology (NSMB).
Хотя ДНК представляет собой длинную нить, в клетках она складывается и скручивается, как клубок пряжи. Это позволяет генам, которые находятся далеко друг от друга, взаимодействовать с регуляторными элементами — своеобразными «переключателями», которые включают и выключают их.
«Мы определили трехмерную структуру генома, что позволило нам понять, как его организация влияет на развитие клеток», — объясняет Сатоши Намекава, профессор микробиологии и молекулярной генетики из Калифорнийского университета в Дэвисе и один из ведущих авторов исследования.
В ходе эмбрионального развития клетки, которые в будущем станут сперматозоидами или яйцеклетками, уже «запрограммированы» на свою будущую судьбу. Однако пока эмбрион находится в утробе, эти клетки окончательно определяются либо как мужские, либо как женские, и этот выбор становится необратимым.
«Клетки обладают своего рода памятью, но мы пока не знаем, как она работает. Наша цель — понять, как именно формируются мужские клетки», — отметил Намекава.
Ученые использовали метод, который позволил определить, какие участки ДНК находятся рядом друг с другом в сложенной структуре генома. Это дало возможность создать полную карту трехмерного расположения генов.
В ходе исследования были выявлены два белка, играющих ключевую роль в формировании «генетической памяти» клеток. SCML2 отвечает за разрыв старых связей в ДНК, что делает ее более гибкой и подготавливает к следующему этапу развития сперматозоида. CTCF же связывает гены с мощными регуляторными элементами, которые активируют их в нужный момент. Таким образом, эти белки закрепляют судьбу клетки как будущего сперматозоида.
Эти открытия могут значительно облегчить диагностику бесплодия, вызванного нарушениями в структуре генома, а также способствовать созданию новых методов клеточной терапии. Возможность «переключения» генетических программ открывает путь к созданию новых клеток из стволовых, будь то нейроны, сердечные клетки или даже половые клетки.
Ранее ученые выяснили, как гены влияют на размер глаз.