Увидеть структуру генома в живой клетке

Мажар Адли
Мажар Адли (слева) с коллегами.

В Школе медицины университета Виргинии (University of Virginia School of Medicine), на кафедре биохимии и молекулярной генетики команда учёных занимается крайне важной работой. Результат выглядит как движущиеся на экране компьютера светящиеся точки. Но это то, что способно дать человечеству ключи к пониманию устройства генома, лечению раковых и генетических заболеваний. Мажар Адли (Mazhar Adli) и его коллеги работают над тем, чтобы увидеть работу генов в живой клетке — в реальном времени, в трёх измерениях.

Наши знания о том, как работает ДНК в клетке, ограничены. Мы можем «прочитать» генетические последовательности. Но вопрос о пространственном распределении хроматина (вещества хромосом — комплекс ДНК, РНК и белков) в ядре изучен слабо.

«Это долго оставалось только мечтой, — отмечает Адли. — Теперь мы можем получить изображение практически любого интересующего нас региона генома, в реальном времени, в живых клетках. Метод красив. Традиционный способ изучения генома, «золотой стандарт» сегодня, никогда не даст вам такого рода данных, для получения изображения вам придётся убить клетку. Мы делаем это в живых клетках в режиме реального времени».

ДНК часто изображается в виде аккуратных витков, словно растянутых вдоль невидимой направляющей. Но в действительности ДНК внутри ядер наших клеток выглядит, как варёные спагетти.

«У нас два метра ДНК свёрнуты в ядре так плотно, что 10 000 таких структур может поместиться на кончике иглы, — поясняет Адли. — Мы знаем, что ДНК не линейна, она уложена в петли, такие большие, трёхмерные петли. Мы хотим получить картину взаимного влияния генов и составить представление о том, как геном организован в трёхмерном пространстве, потому что это функционально важно».

Представление о ДНК как об аккуратных линиях, отмечает Адли, может создать неверные представления о генных взаимодействиях. Два гена, расположенные далеко друг от друга при линейном представлении, на самом деле могут находиться совсем близко друг от друга в структуре внутри ядра клетки, и это может влиять на то, как они работают.

Для решения заявленной задачи Адли и его команда использует метод генетического редактирования CRISPR. Они «помечают» интересующие их геномные регионы флуоресцентными белками и наблюдают за тем, как помеченные участки передвигаются внутри ядра в течение клеточного цикла.

Такой метод позволяет преодолеть ограничения, привычные для современной генной томографии.

«Нам говорили, что мы никогда не сможем сделать этого, — говорит Адли. — Есть несколько подходов, которые позволяют взглянуть на трёхмерную организацию ДНК. Но это эксперимент с использованием сотен миллионов клеток, и вы должны убить их, чтобы получить результат. Здесь мы можем рассматривать всё на уровне отдельной клетки, и клетки всё ещё живы, и мы можем снять видео того, что происходит внутри них».

Выращивать клетки и убивать их, чтобы понять, что происходит с их ДНК — долго, дорого и малоэффективно. Адли проводит аналогию — это словно попытка разобраться в правилах футбола, глядя на размытые фотоснимки игры. Новый подход позволяет наблюдать события внутри клетки в реальном времени.

Статья с описанием метода, разработанного Адли и его коллегами, опубликована в журнале Nature communications и находится в свободном доступе.