Российские ученые из Института биологии генетики РАН в сотрудничестве с исследователями из Нью-Йоркского университета изучили роль пространственной структуры генома ( 3D-генома) играет важную роль в регуляции экспрессии генов бактерий. Ученыкам удалось создать карты, отображающие пространственную структуру генома одноклеточного организма ― кишечной палочки (Escherichia coli) ― с рекордно высоким разрешением и увидеть ряд новых структур. В этих экспериментах было впервые показано, что на уровне 3D-генома в клетках наблюдается подавление активности горизонтально перенесенных генов, включая гены, отвечающие за устойчивость к антибиотикам. Данное наблюдение открывает возможности для разработки новых подходов в борьбе с антибиотикорезистентностью. Результаты работы были опубликованы в журнале Nature.
Руководитель отдела клеточной геномики Института биологии гена РАН и член-корреспондент РАН поделился информацией об исследовании с корреспондентом «Научной России Сергей Владимирович Разин. Ученый заявил, что исследование способно стать основой для развития новой области в генетике прокариот — организмов, не имеющих ядра, к которым относятся, например, бактерии).
«При изучении эукариотических клеток, характеризующихся наличием ядра, уже никто не сомневается в существовании разнообразных механизмов пространственной организации генома, регулирующих экспрессию генов. Исследователи, работающие с прокариотами, также стремились определить, наблюдаются ли подобные явления у этих более простых организмов. Были идентифицированы некоторые пространственные структуры, однако установить их функциональную связь не представлялось возможным из-за недостаточного разрешения существующих карт пространственной организации генома. Решение этой проблемы стало возможным благодаря ведущему научному сотруднику нашего отдела Алексею Александровичу Гаврилову удалось создать карту с беспрецедентно высоким разрешением: в 10 нуклеотидных пар. Это разрешение, превосходящее предыдущие в сто раз. То, что мы увидели на этой карте, превзошло все наши ожидания», ― сообщил С.В. Разин.
В ходе исследования ученые впервые показали наличие пространственных структур в геноме кишечной палочки, формирование которых непосредственно обусловлено их ролью. По одной из версий, подобная структура способна, к примеру, увеличивать скорость транскрипции бактериальной ДНК.
В нетранскрибирующихся участках ДНК кишечной палочки также были зафиксированы любопытные особенности – структуры, напоминающие шпильки или скопления шпилек. Впоследствии было установлено наличие двух белков, которые обнаруживаются только в местах формирования этих «шпилек». Исследователи определили, что эти белки выполняют функцию организации «шпилек».
«Эти участки, часто называемые “шпильками”, преимущественно обнаруживаются в областях генома, которые по нуклеотидной последовательности отличаются от основной его части E. сoli. После обнаружения антибиотика, взаимодействующего с указанными областями, мы заметили, что он полностью вытесняет белки, участвующие в создании «шпилек», что влечет за собой их исчезновение. Наше исследование показало, что эти «шпильки» подавляют активность генов, переданных горизонтально, включая гены, отвечающие за устойчивость к антибиотикам. Наиболее интересным оказалось то, что все эти области, связанные с белками, формирующими «шпильки», способны устанавливать пространственные контакты на значительных расстояниях. Это указывает на возможность формирования пространственных связей между «шпильками», даже если они образовались на инородной ДНК, например, на плазмиде или вирусе, проникшем в бактерию. Это объясняет, как происходит быстрый перенос генов, то есть горизонтальный перенос. «Наша работа представляет собой важный вклад в изучение этих механизмов», — заключил Сергей Владимирович Разин.
Фотография в верхней части текста: сгенерирована с использованием сервиса «Шедеврум»
Материал создан при содействии Российской академии наук