Ведущий мировой эксперт в области изучения структуры генома Сергей Разин поделился с корреспондентом «Научной России» информацией о методах упаковки хромосом в клетках разных организмов и о том, как это соотносится с определенными заболеваниями. В ходе беседы мы затронули тему топологически ассоциированных доменов (ТАД), которые в настоящее время находятся в центре научных исследований, и выяснили, почему рак тесно связан с пространственной организацией генома, а также обсудили роль некодирующих ДНК в развитии этого заболевания. Подробнее ― в нашем интервью.
Справка: Сергей Владимирович Разин ― доктор биологических наук, член-корреспондент РАН, профессор, главный научный сотрудник, руководитель отдела клеточной геномики и заведующий лабораторией структурно-функциональной организации хромосом Института биологии гена РАН, заведующий кафедрой молекулярной биологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.
― Вы являетесь экспертом в достаточно молодой сфере знаний ― 3D-геномике. Как в ней рассматривают геном?
― Еще десять лет назад термин «3D-термин «геномика» часто вызывал затруднения даже у специалистов в области биологии, поскольку ДНК – это линейный полимер, и не сразу понятно, как связана с ним пространственная организация в трехмерном объеме. Для понимания сути проводимых исследований необходимо в первую очередь освежить в памяти, что такое эукариотический геном и как он развивался.
Гены человека, как и гены других эукариот – организмов, клетки которых содержат ядро, контролируются промоторами – специфическими последовательностями нуклеотидов, находящимися в начале гена, и энхансерами, которые могут располагаться в любом месте, даже на значительном удалении от промотора. В ходе эволюции, в особенности на этапе перехода от приматов к человеку, наблюдался резкий рост числа энхансеров, и в настоящее время установлено, что на один ген может приходиться более десяти. В зависимости от условий в организме могут активироваться различные комбинации энхансеров – например, чтобы обеспечить лучшую адаптацию клеток к внешним воздействиям или отреагировать на определенные сигналы. Энхансеры являются областями, с которыми взаимодействуют различные регуляторные белки, включая транскрипционные факторы и компоненты транскрипционной системы. После этого вся эта информация передается на промотор. Но каким образом это осуществляется? Наиболее простой механизм заключается в расположении энхансера в непосредственной близости от промотора в клеточном ядре.
Данная система обеспечивает возможность создания разнообразных комбинаций усилителей, поскольку позволяет формировать неограниченное количество различных петель, что приближает несколько усилителей к промотору. Также она дает возможность активировать одним блоком усилителей сразу несколько генов, что необходимо, когда эти гены задействованы в синтезе единого продукта, необходимого для осуществления конкретного метаболического пути.
― Каким образом наблюдаемая вами пространственная организация генома может быть причастна к развитию различных болезней?
― Необходимо осознавать, что в микромире, который мы рассматриваем, все находится в непрерывном движении: различные компоненты, включая фрагменты хромосом, смещаются относительно друг друга. Когда речь идет о чрезвычайно сложном и обширном геноме, например, человеческом, может случиться так, что рядом с энхансером окажется не подходящий промотор — к примеру, промотор онкогена, который не должен функционировать в этих клетках. Таким образом, система, изначально обеспечивающая значительные преимущества, может одновременно стать источником серьезных проблем, в том числе сбоев в регуляции активности генов. Эволюция предложила решение этой задачи еще на этапе формирования многоклеточных организмов, разделив геном на отдельные структурно-функциональные единицы. Мы обозначаем их как топологически ассоциированные домены (ТАД). Все вышеописанные действия, такие как перемещение участков хромосомы в пространстве клеточного ядра, формирование петель и тому подобное, как правило, происходят внутри каждого из этих блоков, а не за их пределами, то есть пространственные взаимодействия ограничены границами ТАД.
― А как выглядят эти ТАД?
― Эти структурно-функциональные блоки имеют вид клубков – сферических или полусферических образований, состоящих из хроматиновой фибриллы, расположенной внутри хромосомы. Форма ТАД может незначительно отличаться в зависимости от типа клеток. Если ранее для их определения использовались исключительно биоинформатические методы, основанные на картах пространственной организации генома (где ТАД отображаются в виде треугольников), то теперь ученые получили возможность визуализировать эти клубки, используя специальные красители, которые связываются только с конкретными участками ДНК. ТАД определяют область действия энхансеров, главным образом активирующих гены, находящиеся в пределах ТАД. Нарушение границы, отделяющей ТАД, может вызывать сбои в регуляции и другие нежелательные последствия.
— Как давно начали использовать такой подход к изучению генома?
— Развитие любой экспериментальной науки невозможно без разработки новых подходов и технологий. Так, изобретение микроскопа позволило впервые увидеть микромир, о котором прежде было неизвестно. Что касается 3D-геномики, то в 2002 г. появился метод под названием Chromosome Conformation Capture, это позволило выявить участки ДНК, расположенные близко друг к другу в физическом пространстве ядра клетки. Благодаря этому впервые были созданы карты пространственной организации генома, что позволило перейти от теоретических рассуждений к анализу фактических данных. Домен генов бета-глобина долгое время был популярной моделью для биологов, поскольку он хорошо изучен и часто подвергается нарушениям при различных заболеваниях. На примере этого домена впервые было показано, что энхансеры формируют кластеры, которые взаимодействуют с активно транскрибирующимися генами. Позднее, с помощью методов, основанных на фиксации конформации хромосомы, были идентифицированы ТАД.
— Значит, эти ТАД, эти клубки — это не просто эффектное визуальное отображение нашего генома, а его настоящие, функционирующие фрагменты?
— К тому же, речь идет не просто о функциональных элементах, а о структурно-функциональных. Важно отметить, что в данном случае структура тесно связана с функцией. Рассмотрим, например, государство, состоящее из областей, районов и других административных единиц. Управление таким государством осуществляется по определенной иерархии, однако на каждом уровне присутствуют изолированные системы, обладающие определенной степенью самостоятельности. Аналогично и в данном случае: ТАД – это функциональные блоки генома, характеризующиеся определенной степенью автономии. Изучение этих блоков представляется весьма интересным.
— Учитывается ли в настоящее время при изучении организации генома в пространстве, в частности в учебных пособиях для высших учебных заведений, или мы по-прежнему придерживаемся линейных моделей его представления?
— В июне текущего года мой коллега, Сергей Владимирович Ульянов, и я выпустили новый учебник для студентов-биологов под названием «Хроматин и эпигенетика». В нём подробно рассмотрены вопросы, упомянутые ранее. Учебник разработан на основе курса лекций, который я веду на кафедре молекулярной биологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. По моему мнению, это действительно качественный учебник, не имеющий аналогов в России, и подобных публикаций немного и за рубежом. Я полагаю, что он будет пользоваться спросом и окажет поддержку будущим специалистам.
— Возвращаясь к вопросу о связи различных заболеваний с таламодесмосомной дисплазией, стоит рассмотреть, могут ли эти структуры формироваться неверно или подвергаться повреждениям, что может повлечь за собой неблагоприятные последствия для здоровья?
— Наследственные заболевания можно условно разделить на две основные категории. Первая из них связана с физическими дефектами отдельных генов. Подобные дефекты часто затрагивают гены, ответственные за синтез глобина – белка, входящего в состав гемоглобина. Такие отклонения могут приводить, к примеру, к проблемам с формированием гемоглобина, что проявляется в заболевании под названием «таллассемия». Вторая группа заболеваний связана с тем, что сам ген остается целым, но функционирует не должным образом или в неправильном месте (и это случается значительно чаще, чем заболевания, вызванные непосредственными повреждениями генов). В подобных ситуациях речь уже идет о сбоях в работе сложных регуляторных механизмов, которые контролируют активность генов и определяют, когда им следует проявляться, а когда нет. И в этом случае 3D-геномика, способная прояснить причины многих из этих ситуаций. Существует целая область научных исследований под названием Genome—wide association study (GWAS), касающееся изучения взаимосвязи между незначительными изменениями в геноме и риском развития определенных заболеваний. Специалисты, работающие в этой области, указывали на то, что небольшие изменения в геноме, которые чаще всего располагаются за пределами кодирующих участков, связаны с развитием онкологических заболеваний или других серьезных недугов. Накоплено значительное количество статистических данных, однако причины этого явления оставались неясными, поскольку гены не подвергались повреждениям. Но теперь, благодаря углубленному изучению механизмов формирования 3D-анализ генома показал, что даже незначительные модификации в кодирующих областях способны оказывать воздействие на его пространственную структуру.
— Вы могли бы привести еще какие-то примеры?
— Полидактилия – это врожденное заболевание, при котором на руках или ногах присутствует большее, чем обычно, количество пальцев. Данная аномалия развития конечностей обусловлена тем, что в клетках организма происходит нарушение границ между ТАД (транс-действующими доменами): в упрощенном виде, два таких домена объединяются в один, и, как следствие, энхансер, расположенный в определенном домене, начинает активировать гены, находящиеся в другом. Это открытие стало первым задокументированным случаем, когда ученые смогли доказать, что нарушение 3D-мутации в геноме могут стать причиной подобных заболеваний. Позднее было установлено, что подобная ситуация, при которой регуляторные элементы одной группы генов начинают активировать другую, не предназначенную для этого, нередко является причиной онкологических заболеваний.
— Если возникла проблема непосредственно на уровне 3D-какие изменения в структуре генома позволяют иммунной системе продолжать бороться с раковыми клетками?
— Иммунная система реагирует не на изменения в пространственной организации генома, а на внешние признаки клетки. Если система распознавания функционирует правильно, раковые клетки будут уничтожены, а факторы, спровоцировавшие трансформацию здоровых клеток в раковые, для иммунной системы не имеют значения. Раковые клетки обычно имеют на своей поверхности особые маркеры, которые и идентифицируются нашей иммунной системой, после чего эти патологические клетки подвергаются уничтожению.
Изучение одной клетки в лабораторных условиях — сложная задача, поэтому ученые обычно используют миллионы клеток в качестве отправной точки. Это означает, что результаты биохимических экспериментов отражают некий усредненный результат: мы получаем обобщенную картину, основанную на большом количестве клеток. Примерно десять лет назад мы поставили перед собой задачу создать методику, позволяющую определить пространственное расположение 3D-генома в отдельных клетках. Подробности этого достижения не будут описаны, однако цель была достигнута. Результаты эксперимента были обнародованы в Nature в 2017 г. Примечательно, что они были получены в рамках дипломной работы студента нашей кафедры молекулярной биологии Ильи Михайловича Флямера.
― И что вы увидели?
― Прежде всего, наблюдается значительная изменчивость между клетками. Границы ТАД при этом оставались достаточно устойчивыми, однако способ укладки хромосом внутри них порой существенно различается. Это указывает на то, что «неправильные» регуляторные контакты в контексте 3D-генома способны возникать в отдельных клетках, что может приводить к различным заболеваниям, включая онкологические. Недавно мы опубликовали обзорную статью, в представленных данных было показано, что значительная часть зафиксированных случаев связана с онкологическими заболеваниями. Это объясняется тем, что, как упоминалось ранее, рак является результатом нарушения регуляции активности генов. Появление раковых клеток – это, в определенной степени, характерная особенность организма и его клеток: они не обладают достаточной стабильностью, и в них время от времени могут происходить отклонения.
― Мы обсуждаем причины возникновения рака. Но способно ли наше тело уничтожить раковые клетки после начала развития заболевания, и зависит ли это от 3D-генома?
― Дальнейший ход событий — это задача, требующая консультации иммунологов.
― В самом начале нашей беседы вы отметили, что основная часть событий, обуславливающих развитие онкологических заболеваний, происходит в некодирующем геноме, вода составляет примерно 98% от массы человеческого тела. За какие миллионы лет эволюции не удалось уменьшить этот показатель? Какова эволюционная роль такого большого содержания воды в организме человека?
― Термин «некодирующий геном» сейчас считается несколько устаревшим. Сегодня мы определяем его как ту часть генома, которая не содержит информации для синтеза белков. Вместе с тем, существует множество регуляторных некодирующих РНК, которые выполняют не менее значимую функцию: они контролируют работу определенных генов, в частности, в процессе клеточной дифференцировки – превращении клеток из плюрипотентных в специализированные. Эпигенетика изучает молекулярные механизмы клеточной дифференцировки. Роль регуляторных РНК в работе этих механизмов представляет собой обширную область, которая пока не полностью изучена современной наукой. В ответ на ваш вопрос: однозначного ответа на него на данный момент нет.
Сегодня нам известно, как кодируются практически все белки человека. Однако это сопоставимо со знанием состава дома и наличием кирпичей. А где проект? Как из них строить? Понятно, что эта информация содержится в ДНК, поскольку пересадка ядра в неоплодотворенную яйцеклетку приводит к образованию клона – организма, полностью идентичного оригиналу. Но то, каким образом эта информация закодирована в ДНК, остается для нас неясным. Мы располагаем информацией о триплетном коде, который определяет структуру белков, однако механизмы, благодаря которым один человек отличается от другого или, к примеру, от мыши, нам неизвестны. Это серьезная проблема, решение которой представляется крайне сложным. В качестве примера можно привести заболевание, известное как синдром Тричера Коллинза. Его причиной является нарушение работы генов, ответственных за рибосомы, что приводит к снижению количества рибосом, синтезируемых в организме. Кажется, что недостаток рибосом негативно сказывается на всем организме. Но какое проявление наблюдается при этом заболевании? Деформированная нижняя челюсть. Как это связано с рибосомопатией, о которой я говорил ранее? Задача ученых заключается в том, чтобы понять, как в генах закодирован фенотип и какие механизмы его определяют. В связи с вашим вопросом: вполне вероятно, что эта значительная часть генома, не участвующая в кодировании белков, содержит эту информацию, но мы пока не умеем ее интерпретировать. Описанная мной ситуация может создавать сложности и для генной терапии, которая в настоящее время активно обсуждается.
― Я предполагала, что удаление происходит исключительно из тех областей, в отношении которых имеется исчерпывающая информация.
― На данный момент никаких операций не проводят, все находится на стадии обсуждений. Однако уже сегодня мы можем добиться значительных результатов в лабораторных условиях, в культуре клеток. Наши эксперименты выявили, удаление определенного фермента из раковых клеток приводит к укреплению их ядра и подавляет способность к миграции, что делает их более схожими на здоровые клетки. Это открытие кардинально меняет наше представление об организации ядра эукариотической клетки. В соответствии с устоявшимся взглядом, который нам знаком еще со школьной программы, ядро воспринималось как своего рода защитная оболочка, содержащая ДНК. Однако, на самом деле ядро – это не оболочка, а экзоскелет, формирующийся вокруг генома! Форма и характеристики ядра во многом зависят от того, как упакован геном.
― Возможно ли применение этого открытия в медицине?
― Я не согласен. Если вам удалось определить раковую клетку, оптимальным решением будет ее уничтожение, и в современной медицине существуют действенные методы для этого. Попытки лечения таких клеток, включая изменение структуры генома, я считаю неоправданными. В настоящее время медицинская практика направлена на ликвидацию раковых клеток. Поэтому наша работа представляет ценность для фундаментальной науки, а не для ее применения в клинической практике.
― Какие из ваших последних исследований в области 3D-геномики вы считаете наиболее интересными?
― Прежде всего необходимо подчеркнуть вышеупомянутую карту пространственной организации 3D-генома индивидуальных клеток, составленную на основе исследования клеток дрозофил. Эта карта ― самая подробная из имеющихся сегодня карт для индивидуальных клеток. Она обладает разрешением до 10 Кб и до сих пор остается непревзойденной в экспериментах подобного рода.
Нам также любопытны наши исследования, посвященные роли 3D-генома играет важную роль в управлении экспрессией генов у прокариот. Данные, полученные в ходе нашей работы, относятся к 2025 году. были опубликованы в журнале Nature. Совместно с коллегами из США была создана пространственная карта генома бактерии кишечной палочки ( Escherichia coli) и увидели ряд новых структур. Так, например, мы впервые показали, что на уровне 3D-генома приводит к подавлению горизонтально переносимых генов в клетках, включая гены, отвечающие за устойчивость к антибиотикам. Данное наблюдение открывает возможности для разработки методов борьбы с антибиотикорезистентностью.
В прошлом году мы выпустили еще одну значимая работа. Мы изучили работу 3D-генома амебы диктиостелиум (Dictyostelium discoideum) и продемонстрировали отсутствие ТАД у этого организма, в отличие от нас. Вместо этого наблюдается иная пространственная организация – петли, способные также изолировать одну группу генов от другой. Заслуживает внимания, что эти петли часто демонстрируют определенную специализацию, поскольку в их составе нередко находятся функционально связанные гены. Очевидно, потребность в разделении генома на структурно-функциональные области (ТАД, как у нас, или ограниченные петли, как у амебы диктиостелиум) возникла в процессе эволюции от одноклеточности к многоклеточности. При этом природа предпринимала несколько подобных попыток.
Ранее нам также удалось исследовать структурно-функциональные области в геноме дрозофил. В их геноме присутствуют подобные скопления, однако они формируются по иному принципу, отличающемуся от ТАД позвоночных. Выяснилось, что здесь определяют поведение простые физико-химические законы, управляющие взаимодействием между отдельными нуклеосомами – элементарными частицами хроматина (комплекса белков с ДНК в клеточных ядрах всех эукариот). Это приводит к тому, что значительная часть хроматина собирается в глобулу. Эти глобулы разделены участками, где взаимодействие между нуклеосомами не происходит из-за определенных факторов. Исследование проводилось с использованием суперкомпьютера МГУ им. М.В. Ломоносова «Ломоносов». Компьютерное моделирование продемонстрировало ход описанного процесса. Результаты этой работы были опубликованы в журнале Genome Research. Я поделился информацией лишь о некоторых из наших научных исследований. Верю, что в дальнейшем нас ждет множество других увлекательных экспериментов.