Как ДНК становится трехмерной:
структура хроматина
Александра Галицына
25-11-2020
Классические представления о ДНК
- ДНК - это носитель генетической информации, линейно упорядоченная молекула биополимера нуклеиновых кислот.
Первое доказательство линейности ДНК
- Рекомбинационный тест Бензера
на E. coli и T4 бактериофаге:
Benzer, 1950-1960
https://slideplayer.com/slide/1400263/
Плашка с бактериями,
появление бляшек при заражении фагом
Первое доказательство линейности ДНК
- Ко-трансфекция клетки бактерии двумя мутантными вирусами:
Benzer, 1950-1960
https://slideplayer.com/slide/1400263/
Появление бляшек (заражение есть)
Появление бляшек (заражения нет)
Первое доказательство линейности ДНК
- Рекомбинантная карта бактериофага:
Benzer "On the Topology of the Genetic Fine Structure" PNAS 1959
О - нет заражения, |- заражение есть
Упорядоченные мутации фага
ДНК как двойная спираль
- Уотсон, Крик и Франклин: рентгеноструктурный анализ (1953)
Pray Nature Education 2008
Уровни организации хроматина
Первичная структура
Вторичная структура
A-форма
спирали
B-форма
Z-форма
G-квадруплекс
ДНК-шпилька
Хроматин - комплекс ДНК и белков
ДНК образует более сложные структуры за счет связывания белков. В первую очередь, это гистоновые белки (у эукариот):
Alberts "Molecular Biology of the Cell" 6th edition 2015
Хроматин - комплекс ДНК и белков
Robinson, 2016
Регуляторы экспрессии генов: энхансеры
Для активации экспрессии необходима сборка белкового комплекса на специальных регуляторных последовательностях ДНК - энхансерах.
Энхансер
Промотор
Как привести во взаимодействие промотор и энхансер?
Dean 2006
Wasserman & Sandelin. Applied bioinformatics for the identification of regulatory elements. Nat. Rev. Genet. 2004
Регуляторные сети энхансеров
Один ген может регулироваться несколькими энхансерами,
один энхансер может регулировать несколько генов:
Подходы к исследованию хроматина и "дальней" регуляции
Микроскопия ядра
Ros 2006 "Histology Atlas with Correlated Cell and Molecular Biology"
Два подхода: микроскопия и молекулярная биология
FISH-микроскопия
Fluorescent in situ hybridization
FISH-микроскопия
Bolzer et al., PLoS Biol. 2005
Speicher & Carter Nature 2005
Fluorescent in situ hybridization
4DN Nucleome
4DN Nucleome
The goal of the Common Fund’s 4D Nucleome (4DN) program is to study the three-dimensional organization of the nucleus in space and time (the 4th dimension).
...
The 4DN program has generated a variety of tools and resources so scientists can continue to learn about the importance of nuclear organization. Program deliverables currently available through the public 4DN Portal include nearly 2000 datasets from hundreds of experiments, 52 software packages and 23 protocols and reagents for researchers to use.
4DN Nucleome
Data Portal:
Фиксация конформации хромосом: 3C
Фиксация формальдегидом
Рестрикция ДНК
Лигирование
Очистка ДНК
Библиотека ДНК-ДНК контактов
3C: Dekker et al. 2002 Science
Hi-C: высокопроизводительная фиксация конформации хромосом
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
Цвет: частота взаимодействий регионов ДНК
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
Обогащенные взаимодействия
Архитектурные контакты
Промотор-энхансерные взаимодействия
Polycomb-петли
Bonev et al. 2016 Nature Reviews
Уровни иерархии хроматина
Экструзия петель - основная гипотеза формирования структуры хроматина
MirnyLab Youtube channel
Упрощенная визуализация ключевых компонентов:
ДНК, экструдера (когезин) и барьерного элемента (CTCF)
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
Модель выпетливания
Fudenberg et al. 2016 Cell Reports
когезин - выпетливающий фактор
CTCF - граничный элемент
Архитектурный белок хроматина CTCF
Rao et al. 2014 Cell
когезин - выпетливающий фактор
CTCF - граничный элемент
Несколько петель
Топологически-ассоциированный домен (ТАД)
Более экзотическая структура...
шпилька
Настоящие шпильки хроматина
Caulobacter crescentus
(бактерия)
Настоящие шпильки хроматина
Caulobacter crescentus
Псевдоузел
Редкий случай
Петля
Клинические примеры
Anania and Lupiáñez, 2020; Lupiáñez et al. 2015
Клинические примеры
Anania and Lupiáñez, 2020; Lupiáñez et al. 2015
Клинические примеры
Anania and Lupiáñez, 2020; Lupiáñez et al. 2015
Человек: 2 м ДНК в 10 мкм ядро
100-этажный дом в рисовое зерно
Wasserman & Sandelin. Applied bioinformatics for the identification of regulatory elements. Nat. Rev. Genet. 2004
Попробуем предсказать промотор-энхансерные взаимодействия!
Target Finder. Whalen et al. Nat. Genetics 2016
Target Finder. Whalen et al. Nat. Genetics 2016
Target Finder. Whalen et al. Nat. Genetics 2016
Belokopytova et al. Genome Research 2020
Альтернативные подходы помимо Hi-C:
Fulco et al. 2019
In situ метод поиска
промотор-энхансерных взаимодействий:
CRISPRi-FlowFISH
Fulco et al. 2019
In situ метод поиска
промотор-энхансерных взаимодействий:
CRISPRi-FlowFISH
Fulco et al. 2019
In situ метод поиска
промотор-энхансерных взаимодействий:
CRISPRi-FlowFISH
Beagrie et al. 2017
Genome Architecture Mapping
Nguyen et al. 2020
In situ sequencing approach
Цикл лекций о структуре хроматина: Введение
By agalicina
