Человеческий геном был картирован во времени и пространстве в четырех измерениях
Проект «Геном человека» был завершен чуть более двадцати лет назад. Теперь ученые, участвующие в проекте «4D-нуклеом», создали подробную карту, которая не только демонстрирует геном человека в 3D, но и показывает, как различные компоненты генома взаимодействуют друг с другом с течением времени — если первое было чертежом, то второе — масштабной моделью с подвижными частями.
«Понимание того, как геном сворачивается и реорганизуется в трех измерениях, имеет важное значение для понимания того, как функционируют клетки», — заявил профессор Фэн Юэ из Северо-Западного университета.
До сих пор геном представлялся как (очень длинная) последовательность кода, содержащая ряд букв, каждая из которых обозначает химическое основание — А для аденина, С для цитозина, G для гуанина и Т для тимина. Представьте себе книгу рецептов с четырьмя ингредиентами. Это невероятно впечатляющее достижение, которое способствовало бесчисленным научным и медицинским открытиям, от прорывов в персонализированной медицине до разработки CRISPR. Но это лишь часть истории.
Это происходит потому, что человеческий геном не является линейным. Он образует петли и сворачивается. Гены взаимодействуют друг с другом. И эти взаимодействия могут определять, какие гены включены, а какие выключены. Это, в свою очередь, может влиять на клеточную идентичность и развитие заболеваний.
Исследователи, опубликовавшие статью в журнале Nature, объясняют, что цель проекта 4D Nucleome состоит в том, чтобы «получить подробные данные о трехмерном сворачивании генома человека с разрешением на уровне функциональных элементов, в различных состояниях клеток, с течением времени и в отдельных клетках».
Используя методы интегративного моделирования генома, команда картировала геномы человеческих эмбриональных стволовых клеток и фибробластов — типа клеток, играющих важную роль в формировании соединительной ткани. В результате были получены трехмерные модели всего генома на уровне отдельных клеток. В рамках этих моделей исследователи смогли определить расположение и классификацию различных хромосомных доменов и составить «обширный каталог» из более чем 140 000 петельных взаимодействий для каждого типа клеток, установив, как они влияют на регуляцию генов.
Подобно тому, как проект «Геном человека» позволил совершить ряд медицинских прорывов, команда возлагает большие надежды на проект «4D-нуклеом». В настоящее время рак поражает четырех из десяти человек в течение жизни.
Эта модель должна позволить будущим исследователям изучать, как различные генетические варианты влияют на экспрессию генов и приводят к заболеваниям, и вполне может проложить путь к новым диагностическим инструментам и методам лечения, основанным на изучении генома.
«Трехмерная организация генома предоставляет мощную основу для прогнозирования того, какие гены, вероятно, будут затронуты этими патогенными вариантами», — сказал Юэ. «После наблюдения за трехмерными изменениями генома при различных видах рака, включая лейкемию и опухоли головного мозга, наша следующая цель — изучить, как можно точно воздействовать на эти структуры и модулировать их с помощью таких препаратов, как ингибиторы эпигенетики».
В конечном итоге, проект демонстрирует, насколько сложен человеческий геном на самом деле. Дело не только в отдельных компонентах генома, но и в том, как они расположены и взаимодействуют друг с другом, что определяет экспрессию генов.