Геном взломан в 3D. Биологи создали атлас из 140 000 скрытых петель, управляющих нашей жизнью

Геном человека всё чаще рассматривают не как длинную цепочку букв, а как живую, постоянно меняющуюся конструкцию. ДНК внутри клетки непрерывно сворачивается, образует петли, распадается на домены и перестраивается — и именно эта пространственная организация во многом определяет, какие гены работают, а какие остаются молчаливыми на протяжении всей нашей жизни. Новая работа учёных из Северо-Западного университета, выполненная в рамках международного проекта 4D Nucleome, даёт самый подробный на сегодня взгляд на то, как человеческий геном существует в трёх измерениях и меняется со временем.

Итак, исследователи сосредоточились не просто на форме ДНК, а на том, как гены физически взаимодействуют друг с другом внутри ядра по мере роста, функционирования и деления клеток. Такой подход позволяет увидеть геном не как абстрактную схему, а как пространственную систему, в которой расстояния, контакты и положение участков имеют не меньшее значение, чем сама последовательность нуклеотидов.

В качестве моделей были выбраны два типа клеток — человеческие эмбриональные стволовые клетки и фибробласты. Первый тип играет ключевую роль в раннем развитии организма, второй широко используется для изучения дифференцировки, старения и регенерации тканей. Сравнение этих клеток позволило проследить, как по-разному организуется ДНК в зависимости от функций и состояния клетки.

Отслеживая движения и перестройки хроматина, команда показала, что пространственная архитектура генома напрямую связана с регуляцией активности генов. ДНК внутри ядра образует петли, компартменты и домены, которые сближают одни участки и изолируют другие. Такие структуры определяют, какие гены включаются, какие подавляются и как формируется клеточная идентичность — от нормального развития до патологических изменений.

Чтобы зафиксировать эту сложную картину, учёные объединили сразу несколько передовых геномных технологий в единый набор данных. Ни один отдельный метод не способен полноценно описать трёхмерную организацию генома, поэтому исследование опиралось на сочетание взаимодополняющих подходов. В результате удалось выявить более 140 тысяч хроматиновых петель для каждого типа клеток и определить молекулярные элементы, которые удерживают эти структуры и участвуют в регуляции генов.

Помимо этого, была создана детальная классификация хромосомных доменов с указанием их положения внутри ядра. На основе полученных данных исследователи построили трёхмерные модели генома с высоким разрешением на уровне отдельных клеток. Эти модели показывают, как конкретные гены располагаются по отношению к соседним участкам ДНК и регуляторным элементам, а также насколько сильно архитектура генома может различаться даже между клетками одного типа.

Особое внимание привлекла связь между изменениями в укладке ДНК и ключевыми клеточными процессами — транскрипцией и репликацией. Именно такие перестройки помогают объяснить, почему клетки с одинаковым генетическим кодом могут вести себя по-разному, реагировать на сигналы среды и выполнять разные функции.

Команда также сопоставила сильные и слабые стороны существующих методов изучения трёхмерной структуры генома, фактически предложив ориентир для будущих исследований организации ядра. Дополнительно были разработаны вычислительные инструменты, способные предсказывать, как будет складываться геном, исходя только из последовательности ДНК.

Этот подход открывает важную перспективу для медицинской генетики. Большинство вариантов, связанных с человеческими заболеваниями, находятся вне кодирующих участков и не меняют структуру белков напрямую. Вместо этого они могут влиять на пространственную организацию генома и тем самым нарушать регуляцию генов. Возможность прогнозировать такие эффекты без сложных лабораторных экспериментов может значительно ускорить поиск механизмов развития болезней.

В более широком смысле результаты показывают, что трёхмерная организация генома становится ключевым инструментом для понимания работы клетки. Пространственная структура ДНК превращается в своего рода карту, по которой можно заранее оценить, какие гены окажутся под ударом из-за мутаций и как это отразится на здоровье человека.