Жизнь генов в трех измерениях:
как ученые решают загадку пространственной укладки хроматина
Александра Галицына
Что предстоит?
- Узнаем, как организована ДНК (хроматин) ядра эукариотической клетки
- Разберем экспериментальные методы для исследования хроматина
-
Почему ученый-биолог практически не может изучать хроматин без математики и программирования?
-
Узнаем, чем занимаются ученые прямо сейчас!
Краткая биография:
ФББ МГУ
(специалист по
биоинженерии и биоинформатике)
Сколтех
(PhD in Life Sciences)
@agalicina
Классические представления о ДНК
- ДНК - это носитель генетической информации, линейная молекула, состоящая из нуклеотидов.
Так ли все просто?
- Уотсон, Крик и Франклин: открыли, что
ДНК имеет форму двойной спирали. - Эксперимент: рентгеноструктурный анализ (1953)
Pray Nature Education 2008
Разнообразие форм ДНК:
Первичная структура
Вторичная структура
A-форма
спирали
B-форма
Z-форма
G-квадруплекс
ДНК-шпилька
Хроматин - комплекс ДНК и белков
ДНК связывает белки и образует более сложные структуры. В первую очередь, это нуклеосомы:
Alberts 2015 "Molecular Biology of the Cell" 6th edition
Уровни организации структуры хроматина
Учебник: Альбертс 2016 "Молекулярная Биология Клетки" в английской редакции
хромосомный
двойная спираль
нуклеосомный
фибриллярный -> конгломераты нуклеосом
петлевой
Классические представления о ДНК
- ДНК - это носитель генетической информации, линейная молекула, состоящая из нуклеотидов.
- Гены - это последовательности нуклеотидов в ДНК, кодирующие белки или РНК.
Парадокс эпигенетического кодирования
- В организме человека около 37 триллионов клеток.
- В каждой клетке - одинаковая последовательность ДНК.
- Однако, существует не менее 39 клеточных типов!
Macosko Cell 2015
Как же достигается разнообразие клеточных типов?
С ДНК считываются гены (экспрессируются).
Экспрессию генов осуществляет комплекс белков
РНК полимераза и Медиатор:
Robinson, 2016
Промотор
- начало гена
Медиатор
РНК-полимераза
Рaзрешение парадокса
эпигенетического кодирования
- В каждом клеточном типе - экспрессируются разные гены:
Macosko Cell 2015
Регуляция - это процесс выбора "правильных" генов.
Оказывается, для активации экспрессии нужны регуляторы - энхансеры!
Энхансер
Промотор
Петля ДНК
Как же достигается разнообразие экспрессии?
Принципы
функционирования энхансеров
Один ген может регулироваться несколькими энхансерами
Один энхансер может регулировать несколько генов
Wasserman & Sandelin. Applied bioinformatics for the identification of regulatory elements. Nat. Rev. Genet. 2004
Разнообразие "дальней" регуляции позволяет генерировать всевозможные фенотипы клеток многоклеточного организма:
Как привсти во взаимодействие промотор и энхансер?
Энхансер может располагаться на огромных линейных расстояниях от промотора подрегулируемого гена.
Гипотетические механизмы:
Dean 2006
Как разобраться в проблеме?
Микроскопия ядра
Ros 2006 "Histology Atlas with Correlated Cell and Molecular Biology"
Два подхода: микроскопия и молекулярная биология
FISH-микроскопия
Fluorescent in situ hybridization
Флуоресцентная гибридизация в ядре
FISH-микроскопия
Bolzer et al., PLoS Biol. 2005
Speicher & Carter 2005 Nature
Примеры:
Фиксация конформации хромосом
Фиксация формальдегидом
Рестрикция ДНК
Лигирование
Очистка ДНК
Библиотека ДНК-ДНК контактов
3C: Dekker et al. 2002 Science
Hi-C: фиксация конформации хромосом с секвенированием
Фиксация формальдегидом
Рестрикция ДНК
Лигирование
Очистка ДНК
Секвенирование
Картирование
Lieberman-Aiden et al. 2009 Science
Лигирование
Теплокарта ДНК-ДНК контактов
Lieberman-Aiden et al. 2009 Science
Чем краснее, тем больше взаимодействуют
два участка генома
Теплокарта ДНК-ДНК контактов
Lieberman-Aiden et al. 2009 Science
Цвет: частота взаимодействий регионов ДНК
Карта попарных взаимодействий
абитуриентов
Поступают в один ВУЗ,
готовятся к тем же олимпиадам
Цвет карты: количество сообщений в Telegram
Хромосомные территории
Bonev et al. 2016 Nature Reviews
Топологически ассоциированные домены (ТАДы)
Bonev et al. 2016 Nature Reviews
Компартменты
Bonev et al. 2016 Nature Reviews
Петли
Архитектурные петли
Промотор-энхансерные петли
Polycomb-петли
Bonev et al. 2016 Nature Reviews
Hi-C - это большие данные
Немного простой математики (для одного эксперимента Hi-C)
длина ДНК клетки человека:
~2 м
National Human Genome Research Institute www.genome.gov
Hi-C - это большие данные
длина ДНК клетки человека:
~2 м
длина генома человека:
National Human Genome Research Institute www.genome.gov
~1 м
Немного простой математики (для одного эксперимента Hi-C)
Hi-C - это большие данные
длина ДНК клетки человека:
размер генома человека:
количество всевозможных попарных контактов ДНК:
в 100Kb-бинах
в нуклеотидах
длина ДНК клетки человека:
~2 м
длина генома человека:
~1 м
размер одного нуклеотида = 0.34 нм = 0.00000000034 м
~3000000000 нт
3000000000·3000000000 =
9000000000000000000 нт
компьютерное представление:
~10 Эксабайт
(19 нулей)
Немного простой математики (для одного эксперимента Hi-C)
Hi-C - это большие данные
Немного простой математики (для одного эксперимента Hi-C)
длина ДНК клетки человека:
длина ДНК клетки человека:
~2 м
длина генома человека:
~1 м
~ 1 Гигабайт
размер генома человека:
количество всевозможных попарных контактов ДНК:
в 100Kb-бинах
в нуклеотидах
~3000000000 нт
30000·30000 =
900000000 нт
компьютерное представление:
~10 Эксабайт
(19 нулей)
~30000 бинов
3000000000·3000000000 =
9000000000000000000 нт
Hi-C - матрица в компьютерном представлении
- Пример записи матрицы:
Игрушечный пример:
[[2,0,1], [0,2,0], [1,0,2]]
Уровни иерархии хроматина
Экструзия петель - основная гипотеза формирования структуры хроматина
MirnyLab Youtube channel
Упрощенная визуализация ключевых компонентов:
ДНК, экструдера (когезин) и барьерного элемента (CTCF)
Модель выпетливания
Fudenberg et al. 2016 Cell Reports
когезин - выпетливающий фактор
CTCF - граничный элемент
Архитектурный белок хроматина CTCF
Rao et al. 2014 Cell
Ganji et al. 2018 Science
Ganji et al. 2018 Science
Прямое подтверждение экструзии
Модель активной компактизации хромосом
Mirny Lab Youtube channel
ДНК как активно живущий "город", наполненный активными машинками-экструдерами
Проверяем знания!
Задача реконструкции структуры по карте Hi-C
Несколько петель
"Hi-C" карта
3D-структура
Домен (ТАД)
Шпилька
Псевдоузел (практически не встречается)
Соответствие?
Одиночная
петля
Настоящие шпильки хроматина
Caulobacter crescentus
(бактерия)
Настоящие шпильки хроматина
Caulobacter crescentus
Структура хроматина в разных царствах организмов:
Пространственная организация хроматина дрозофилы
Ulianov et al. Genome Biology 2016
Клинические примеры
Anania and Lupiáñez, 2020; Lupiáñez et al. 2015
Брахидактилия
Клинические примеры
Anania and Lupiáñez, 2020; Lupiáñez et al. 2015
F-рука
Клинические примеры
Anania and Lupiáñez, 2020; Lupiáñez et al. 2015
Полидактилия
Подходы к исследованию хроматина
Итоги
Человек: 2 м ДНК в 10 мкм ядро
100-этажный дом в рисовое зерно
Примеры задачек: 1
Всероссийская олимпиада 2012, 10-11 классы:
Примеры задачек: 2
МФТИ-био 2020, 10 класс
Примеры задачек
МФТИ-био 2020, 10 класс
