4D Nucleome: эксперты создали первую 3D-карту хромосом в ядре клетки человека

В журнале Nature опубликована одна из наиболее детализированных трёхмерных карт организации хромосом человека, созданная в рамках масштабного проекта 4D Nucleome. В рамках данного исследования учёные идентифицировали более 140 тысяч специфических взаимодействий между сегментами ДНК, известными как петли.

Исследователи подчёркивают, что хромосомы не существуют в виде свободных нитей, а представляют собой сложные трёхмерные структуры, играющие ключевую роль в клеточных процессах, таких как регуляция экспрессии генов и репликация ДНК. Основной целью проекта 4D Nucleome является детальное описание трёхмерной архитектуры хромосом и её динамики во времени, что представляет собой фундаментальный шаг в понимании молекулярных механизмов, лежащих в основе клеточной функции и геномной регуляции.

Для проведения исследования использовались эмбриональные стволовые клетки H1 и фибробласты. Учёные разработали комплексную карту петель и методы прогнозирования пространственной укладки генома на основе его последовательности, что значительно облегчает анализ влияния генетических вариаций на структуру и функцию генома.

Проект "Геном человека", завершившийся в начале XXI века, предоставил всеобъемлющую последовательность генома, однако не раскрыл механизмы регуляции экспрессии генов, которые зависят от трёхмерной архитектуры хромосом и точного расположения участков ДНК в ядре. В ядре ДНК компактизируется посредством наматывания на гистоновые белки, что приводит к формированию трёхмерных хроматиновых доменов. Петли, формируемые с помощью белков когезина, сближают удалённые участки ДНК, регулируя активность генов и играя ключевую роль в геномной регуляции.

Для анализа частоты контактов между сегментами ДНК применялись передовые геномные методы, данные которых были интегрированы в платформу Integrative Genome Modeling (IGM), включающую 1000 трёхмерных моделей генома отдельных клеток. Эти данные использовались для обучения моделей глубокого обучения, способных предсказывать трёхмерную укладку генома.

Для стволовых клеток было выявлено 141 365 регуляторных петель, а для фибробластов — 146 140. Одноклеточные модели позволяют идентифицировать ДНК-последовательности, регулирующие укладку генома, и предсказывать генетические вариации, влияющие на его трёхмерную структуру. Это открывает новые возможности для изучения генетических заболеваний и механизмов их развития, а также для разработки инновационных подходов к геномной медицине.