Прорывное исследование, проведённое группой российских специалистов, позволило по-новому взглянуть на механизмы пространственной упаковки генома благодаря изучению ядерной ламины – белкового каркаса, покрывающего внутреннюю поверхность ядра клетки. В работе, объединяющей усилия сотрудников МГУ имени М.В. Ломоносова, Института молекулярной генетики РАН, Института биологии гена РАН и при поддержке Российского научного фонда (РНФ), Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и Фонда развития теоретической физики и математики «БАЗИС», были раскрыты фундаментальные особенности архитектурного устройства генома у плодовой мушки.
Зачем геному требуется ядерная ламина
Каждое ядро клетки содержит генетический материал длиной около двух метров, упакованный в структуру размером всего две сотые миллиметра. Такая удивительная компактность достигается за счёт сложной системы укладки ДНК на белковые «катушки» — гистоны. Но простой упаковки недостаточно: генетическому материалу важна и правильная пространственная организация, чтобы сохранить функциональность и предотвратить хаотичное перемешивание.
Важнейшую роль в пространственной фиксации ДНК выполняет ядерная ламина — прочный белковый каркас. ДНК прикрепляется к ламине с помощью особых участков — ламина-ассоциированных доменов (ЛАД). В подобных областях, как правило, располагаются либо гены, не востребованные клеткой в данный момент, либо длинные некодирующие регионы. Специальные химические модификации на гистонах этих зон делают их менее доступными для активного считывания информации, предотвращая избыточную активность генов.
Загадка плотности генома: гипотезы и эксперименты
В последние годы учёные собрали множество наблюдений о том, как ламина участвует в регуляции генетических процессов. Однако оставалось неясным, почему ДНК, связываясь с ламиной, демонстрирует более плотную упаковку, а также как именно угнетается активность прилежащих к ней генов. Сейчас, благодаря исследованию группы под руководством Сергея Ульянова, эти загадки получили своё элегантное объяснение.
Российские молекулярные биологи выбрали дрозофилу — модельный объект генетических исследований — и применили широкий арсенал современных технологий трёхмерной геномики и клеточной биологии. С помощью инновационных методов учёные разрушили ядерную ламину в культурах клеток насекомого и проанализировали, что случится с архитектурой генома при отсутствии этого ключевого "скелета". Для глубокого анализа структуры был задействован мощный суперкомпьютер «Ломоносов-2», позволивший смоделировать перемещения и плотность упаковки генома в изменённых условиях.
Революционные наблюдения: перестройка генома в отсутствии ламины
Результаты экспериментов впечатляют своим масштабом и научной значимостью. Как только ламина была разрушена, ламина-ассоциированные домены буквально переместились с периферии ядра к его центру — туда, где обычно преобладают активные гены и происходят наиболее важные процессы жизнедеятельности клетки. В центральной части ядра одновременно возросла общая плотность ДНК, что влекло за собой снижение активности (экспрессии) генетических «рабочих участков».
Интересно, что в «освобождённых» от ламины ЛАДах стали заметны процессы фоновый транскрипции, появились новые химические маркеры на гистонах, обычно вызывающие активацию генов. Теперь эти домены стали более рыхлыми, а их укладка потеряла прежнюю строгую структуру. Таким образом, обнаружилась двойственная функция ядерной ламины: она уплотняет так называемые молчащие участки генома, но одновременно поддерживает более "расслабленную" упаковку центров активности в центре ядра.
Модель на суперкомпьютере: подтверждение двойственности ламины
Обработка огромного массива биологических данных на суперкомпьютере позволила создать точную трёхмерную модель, показывающую, как геном реагирует на разрушение ламинового каркаса. Моделирование недвусмысленно показало: присутствие ядерной ламины определяет плотность упаковки ДНК — когда ДНК прикреплена к белковому каркасу, она формирует более плотные структуры. Однако если каркас устранён, молчащие участки «расслаиваются» и фактически начинают напоминать активные области, что ведёт к изменению баланса между покоем и работой генов.
Перспективы исследований и значение открытия
Сергей Ульянов подчёркивает, что открытый эффект имеет ключевое значение для понимания причин патологий, связанных с неадекватной работой генов, закреплённых в ламина-ассоциированных доменах. Нарушения в компартментализации генома могут лежать в основе тяжёлых генетических заболеваний, таких как некоторые мышечные дистрофии и прогерия — редкое заболевание, связанное с преждевременным старением.
Выявление роли ядерной ламины не только проливает свет на фундаментальные законы организации клетки, но и предоставляет новые целевые механизмы для будущих терапевтических подходов. Российские биологи открыли принципиально новую страницу в науке о геноме, закладывая прочную научную базу для трансляции этих знаний в медицину завтрашнего дня.
Вклад ведущих российских научных коллективов
Большое значение для развития данного направления исследований имеет командная работа. В реализации проекта объединились ведущие представители МГУ имени М.В. Ломоносова, Института молекулярной генетики РАН, Института биологии гена РАН. Вклад Российского научного фонда (РНФ), Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и Фонда развития теоретической физики и математики «БАЗИС» определил возможность реализации масштабных биологических экспериментов и использования современных вычислительных ресурсов.
Отличительной чертой работы стало не только использование передовых технологий, но и привлечение научной молодёжи — аспирантов, молодых учёных и студентов. Общая атмосфера сотрудничества, обмена идеями и смелого поиска позволила команде выполнить задачу мирового уровня и внести значимый вклад в глобальное научное сообщество.
Почему это важно для будущего генетики
Полученные данные, несомненно, станут опорной точкой для развития новых ветвей клеточной биологии, физиологии и генетики. Уточнение роли ядерной ламины — это шаг к созданию прецизионных методов коррекции геномных нарушений, к разработке более эффективных систем диагностики и даже потенциалу создания «умных» лекарственных средств, нацеленных на регулирование специфических ядерных доменов.
Оптимистичное будущее российской науки формируется трудом энтузиастов, поддерживаемых ведущими научными фондами. Такой синтез фундаментальных поисковых исследований и прикладной значимости обеспечивает мощный толчок прогрессу в понимании природы клетки и здоровья человека.
Иллюстрация: Схематическое отображение пространственных изменений в геноме, связанных с нарушением структуры ядерной ламины. Авторы: Сергей Ульянов, МГУ имени М.В. Ломоносова.
Источник: scientificrussia.ru
