Биологи выяснили, как «ламповые щетки» обеспечивают правильное развитие эмбрионов курицы

Группа ученых из Санкт-Петербурга показала, как работают гены на хромосомах типа ламповых щеток — особой формы хромосом, которые появляются в яйцеклетках кур. Оказалось, что с хромосом происходит считывание ряда генов, необходимых для правильного развития зародыша. Возможно, в дальнейшем это открытие позволит влиять на активность полезных генов домашней курицы еще на этапе развития яйцеклетки. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Chromosoma.

В генах закодирована вся информация, необходимая организму для жизни. Поэтому ученые стремятся понять, как устроены геномы, то есть наборы всех генов, различных существ. Для этого важно знать не только последовательность «букв»-нуклеотидов в геноме, но также расположение и особенности работы отдельных генов. Так, ген может быть активным, и тогда с него считывается информация и синтезируется определенный белок, или же неактивным — в этом случае он будет «молчать». Часто активные гены, расположенные рядом на хромосоме (скрученной нити ДНК с белками), объединяются в группы, которые внешне напоминают плотные клубочки или бусины на нитке.

Во время роста будущей яйцеклетки хромосомы изменяют структуру, при этом их форма у разных животных значительно отличается. Например, хромосомы в созревающих яйцеклетках птиц, амфибий и некоторых других позвоночных животных напоминают ершик или щетку для чистки старых керосиновых ламп. В связи с этим их называют хромосомами типа ламповых щеток. У таких структур часть ДНК многочисленными петлями вытягивается в стороны, а сами хромосомы сильно раскручиваются и становятся настолько гигантскими, что детали их строения можно разглядеть в световой микроскоп.

Исследователи из Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) изучили, что происходит с активностью генов на хромосомах, когда они приобретают вид ламповых щеток. Чтобы отличить друг от друга эти участки ДНК, авторы присоединили к ним флуоресцентные — светящиеся разными цветами — молекулярные метки. Так, если несколько флуоресцентных меток, связавшись с ДНК, начинают светиться рядом, это значит, что участки ДНК, с которыми они связались, тоже находятся близко друг к другу. В качестве объекта использовали созревающие яйцеклетки курицы.

Во время деления соматических клеток (клеток тела) группы активных генов сближаются в пространстве ядра, формируя отдельные домены хроматина. Во время деления клетки активные гены объединяются в близко лежащие группы, работа которых, по всей видимости, взаимосвязана. Ученые исследовали, сохраняются ли эти группы, когда хромосомы приобретают форму ламповых щеток во время мейоза — деления, при котором хромосом становится вдвое меньше, чтобы потом при слиянии половых клеток получился нормальный набор. Оказалось, что хроматин все также представляет собой отдельные клубки на нитке, однако они не совпадают с теми, что наблюдаются в неполовых клетках.

Помимо этого, ученые выяснили расположение генов, которые активны в будущей яйцеклетке и, следовательно, важны для развития ее и зародыша. Именно на выступающих в стороны петлях хромосом типа ламповых щеток активных генов по сравнению с другими участками было больше. С некоторых из них, например, с гена CNOT7, считываются так называемые материнские РНК, которые накапливаются в яйцеклетке и используются для синтеза белка в эмбрионе. На боковых петлях также были обнаружены участки, на которых образуются РНК, не кодирующие белки, но часто регулирующие работу генов. Эти результаты подтверждают, что на хромосомах типа ламповых щеток имеет место функционально значимая транскрипция (синтез РНК на матрице ДНК), тогда как ранее было предположение, что образующаяся на них РНК не является продуктом конкретных генов и не кодирует активные биомолекулы.

«Исследование укладки хроматина и работы генов созревающей яйцеклетки относится к фундаментальным, позволяющим больше узнать о структуре генома в целом. Его результаты согласуются с тем, что ранее было получено на хромосомах амфибий. В ближайшее время мы планируем описать весь спектр РНК, синтезируемых на петлях хромосом типа ламповых щеток у птиц. Возможно, в дальнейшем полученные результаты позволят влиять на активность целевых генов домашней курицы на этапе развития яйцеклетки, например генов, отвечающих за количественные признаки, такие как яйценоскость. Подобные эксперименты представляют особый интерес и в связи с тем, что птицы широко используются в качестве перспективных модельных объектов в области эмбриологии», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Алла Красикова, кандидат биологических наук, доцент биологического факультета СПбГУ.