Przestrzenna organizacja genomu jest ściśle powiązana z jego biologiczną funkcją. funkcją biologiczną, jednak nasze zrozumienie struktury genomu wyższego rzędu jest zgrubne, fragmentaryczne i niekompletne. W jądrze komórek eukariotycznych chromosomy interfazowe zajmują odrębne terytoria chromosomowe. zajmują odrębne terytoria chromosomowe, a liczne modele zostały zaproponowano liczne modele składania chromosomów w obrębie terytoriów chromosomowych. Te modele dostarczają jednak tylko kilku mechanistycznych szczegółów na temat relacji między strukturą chromatyny wyższego rzędu a funkcją genomu. Ostatnie postępy w technologii genomicznych doprowadziły do szybkich postępów w badaniu trójwymiarowej organizacji genomu. trójwymiarowej organizacji genomu. W szczególności wprowadzono Hi-C jako metoda identyfikacji interakcji chromatynowych wyższego rzędu w całym genomie. Tutaj badamy trójwymiarową organizację genomów człowieka i myszy w zarodkowych komórkach macierzystych. w embrionalnych komórkach macierzystych i terminalnie zróżnicowanych typach komórek w niespotykanej dotąd rozdzielczości. bezprecedensowej rozdzielczości. Identyfikujemy duże, lokalne domeny interakcji chromatyny o wielkości megabazy domeny interakcji, które nazywamy "domenami topologicznymi", jako wszechobecne strukturalną cechę organizacji genomu. Domeny te korelują z regionami genomu, które ograniczają rozprzestrzenianie się heterochromatyny. Domeny są stabilne w różnych typach komórek i wysoce konserwatywne u różnych gatunków, wskazując, że domeny topologiczne są nieodłączną właściwością genomów ssaków. genomów ssaków. Wreszcie, stwierdzamy, że granice domen topologicznych są wzbogacone o białko wiążące izolator CTCF, geny opiekuńcze, transferowe RNA i retrotranspozonów z krótkimi elementami interspersyjnymi (SINE), co wskazuje, że czynniki te mogą odgrywać rolę w ustalaniu topologicznej struktury domeny genomu. --- Informacje o autorze: (1)Institute of Veterinary Biochemistry and Molecular Biology, University of Zurich, 8057 Zurich, Szwajcaria; Molecular Life Science Program, Life Science Zurich Graduate School, Uniwersytet w Zurychu, 8057 Zurych, Szwajcaria. (2)Instytut Biochemii Weterynaryjnej i Biologii Molekularnej, Uniwersytet w Zurychu, 8057 Zurych, Szwajcaria. Zurich, 8057 Zurich, Szwajcaria. (3)Molecular Life Science Program, Life Science Zurich Graduate School, University of Zurich, 8057 Zurich, Szwajcaria; Institute of Laboratory Animal Science, University of Zurich, 8057 Zurich, Szwajcaria. Laboratory Animal Science, Uniwersytet w Zurychu, 8057 Zurych, Szwajcaria. (4)Centrum Mikroskopii i Analizy Obrazu, Uniwersytet w Zurychu, 8057 Zurych, Szwajcaria. (5)Department of Oncology, University Hospital Zurich, 8952 Schlieren, Szwajcaria. (6) Instytut Nauk o Zwierzętach Laboratoryjnych, Uniwersytet w Zurychu, 8057 Zurych, Szwajcaria; Centrum Biotechnologii Stosowanej i Medycyny Molekularnej, Uniwersytet Zurychu, 8057 Zurych, Szwajcaria; Oddział Chirurgii Urazowej, Centrum Badań Klinicznych, Szpital Uniwersytecki w Zurychu, 8091 Zurych, Szwajcaria. (7) Instytut Biochemii Weterynaryjnej i Biologii Molekularnej, Uniwersytet w Zurychu, 8057 Zurych, Szwajcaria. Zurych, 8057 Zurych, Szwajcaria; Centrum Biotechnologii Stosowanej i Medycyny Molekularnej, Uniwersytet w Zurychu, 8057 Zurych, Szwajcaria. Medycyny Molekularnej, Uniwersytet w Zurychu, 8057 Zurych, Szwajcaria. Adres elektroniczny: raffaella.santoro@vetbio.uzh.ch. --- Komórki stoją przed wyzwaniem przechowywania dwóch metrów DNA w trójwymiarowej przestrzeni jądra. (3D) przestrzeni jądra, która zajmuje zaledwie kilka mikronów. Organizacja jądrowa organizacja jądrowa, która jest wymagana do przezwyciężenia tego wyzwania, musi umożliwiać dostępność mechanizmów regulacji genów do DNA, a w przypadku zarodkowych komórek macierzystych (ESC) embrionalnych komórek macierzystych (ESC), na zmiany transkrypcyjne i epigenetyczne, które towarzyszą różnicowaniu. towarzyszą różnicowaniu. Ostatnie postępy technologiczne pozwoliły na mapowanie organizacji genomu w niespotykanej dotąd rozdzielczości i skali. Te Przełomy te doprowadziły do zalewu nowych danych i wyrafinowanego zrozumienie związku między regulacją genów a organizacją genomu 3D zaczyna się kształtować. W tym przeglądzie podsumowujemy niektóre z ostatnie odkrycia naświetlające strukturę 3D genomu eukariotycznego, a także a także związek między topologią genomu a jego funkcją, od poziomu całych chromosomów do pętli wzmacniacz-promotor, z naciskiem na cechy wpływające na organizację genomu na organizację genomu w ESC i zmiany w organizacji jądrowej podczas różnicowania. --- Wygodnie jest myśleć o genomie jako po prostu ciągu nukleotydów, którego liniowa kolejność koduje genetyczny plan organizmu. Jednak genom genom nie istnieje jako liniowa jednostka w komórkach, w których ten plan jest faktycznie wykorzystywany. Wewnątrz jądra genom jest zorganizowany w trójwymiarowej (3D) przestrzeni. przestrzeni trójwymiarowej (3D), a specyficzne dla linii programy transkrypcyjne, które które kierują losem komórek macierzystych, są wdrażane w tym natywnym kontekście 3D. Tutaj dokonujemy przeglądu zasady organizacji genomu 3D w komórkach ssaków. Skupiamy się na wyłaniającym się związku między organizacją genomu a specyficzną dla linii regulacją transkrypcji, które są ze sobą nierozerwalnie związane. --- Związek między zmianami w strukturze chromatyny a zmianami w ekspresji genów podczas różnicowania komórek podczas różnicowania komórek posłużył jako paradygmat do zrozumienia związek między organizacją genomu a jego funkcją. Jednak zaangażowane czynniki i mechanizmy mechanizmy, za pomocą których ustalana jest trójwymiarowa organizacja jądra, pozostają słabo poznane. Zastosowanie metod opartych na wychwytywaniu konformacji chromosomów (3C) podejście zaowocowało nowym docenieniem roli białek architektonicznych białek architektonicznych w tworzeniu trójwymiarowej organizacji genomu. Białka architektoniczne orkiestrują organizację chromatyny wyższego rzędu poprzez ustanowienie interakcji między elementami regulacyjnymi w wielu skalach przestrzennych. Regulacja regulacja tych białek, ich interakcja z DNA i ich współwystępowanie w genomie. współwystępowanie w genomie, może być odpowiedzialna za plastyczność architektury chromatyny 3D architektury chromatyny, która dyktuje specyficzne dla komórki i czasu plany ekspresji genów. ekspresji genów. --- Wiele badań sugeruje związek między przestrzenną organizacją genomów a podstawowymi procesami biologicznymi, takimi jak przeprogramowanie genomu, ekspresja genów i różnicowanie. ekspresja genów i różnicowanie. Wielokolorowa fluorescencyjna hybrydyzacja in situ na trójwymiarowo zachowanych jądrach (3D-FISH) w połączeniu z mikroskopią konfokalną mikroskopią konfokalną, stała się skuteczną techniką analizy trójwymiarowej struktury genomu i wzorców przestrzennych zdefiniowanych celów jądra, w tym całych terytoriów chromosomów i loci pojedynczych genów. terytoriów i pojedynczych loci genowych. Technika ta zazwyczaj wymaga jednoczesnej wizualizacji wielu celów znakowanych różnymi kolorowymi fluorochromami. fluorochromami. W związku z tym liczba kanałów i laserów musi być wystarczająca dla powszechnie stosowanego schematu znakowania 3D-FISH, "jedna sonda - jeden cel". Jednakże, te kanały i lasery są zwykle ograniczone przez dany system mikroskopowy. Niniejszy artykuł przedstawia metodę jednoczesnego wyznaczania wielu celów w 3D-FISH przy użyciu ograniczonych kanałów, laserów i fluorochromów. W przeciwieństwie do innych schematów znakowania, metoda ta jest wygodna i prosta w wielokolorowych badaniach 3D-FISH co może skutkować powszechnym przyjęciem tej techniki. Wreszcie, jako zastosowanie metody, lokalizacje jądra terytorium chromosomowego 18/21 i centromeru 18/21/13 w normalnych ludzkich limfocytach, które mogą przedstawiać dowody na radialny układ chromatyny wyższego rzędu. --- Informacje o autorze: (1)1] Ludwig Institute for Cancer Research, 9500 Gilman Drive, La Jolla, California 92093-0653, USA [2] Medical Scientist Training Program, University of California, San Diego, 9500 Gilman Drive, La Jolla, California 92093, USA California, San Diego, 9500 Gilman Drive, La Jolla, California 92093, USA. (2)Ludwig Institute for Cancer Research, 9500 Gilman Drive, La Jolla, Kalifornia 92093-0653, USA. (3)1] Ludwig Institute for Cancer Research, 9500 Gilman Drive, La Jolla, California 92093-0653, USA [2] Bioinformatics and Systems Biology Graduate Program, University of California, San Diego, 9500 Gilman Drive, La Jolla, California 92093, USA. (4)The Morgridge Institute for Research, 309 North Orchard Street, Madison, Wisconsin 53715, USA. (5)Tsinghua University-Peking University Center for Life Sciences, School of Nauk Przyrodniczych, Uniwersytet Tsinghua, Pekin 100084, Chiny. (6) Wydział Inżynierii Chemicznej i Biomolekularnej, University of Illinois w Urbana-Champaign, Urbana, Illinois 61801, USA. (7) Laboratorium Immunogenetyki, Narodowy Instytut Alergii i Chorób Zakaźnych, Twinbrook I, USA. Diseases, Twinbrook I NIAID Facility, Room 1417, 5640 Fishers Lane, Rockville, Maryland 20852, USA. (8)Howard Hughes Medical Institute, The Salk Institute for Biological Studies, 10010 North Torrey Pines Road, La Jolla, California 92037, USA. (9)1] The Morgridge Institute for Research, 309 North Orchard Street, Madison, Wisconsin 53715, USA [2] Department of Cell and Regenerative Biology, University of Wisconsin School of Medicine and Public Health, Madison, Wisconsin 53706, USA. [3] Wydział Biologii Molekularnej, Komórkowej i Rozwojowej, Uniwersytet Kalifornijski Santa Barbara, Santa Barbara, Kalifornia California Santa Barbara, Santa Barbara, Kalifornia 93106, USA. (10)1] Ludwig Institute for Cancer Research, 9500 Gilman Drive, La Jolla, California 92093-0653, USA [2] University of California, San Diego School of Medicine, Department of Cellular and Moo Medicine, Department of Cellular and Molecular Medicine, Institute of Genomic Medicine, 9500 Gilman Drive, California Medicine, 9500 Gilman Drive, La Jolla, California 92093-0653, USA.
Czy struktura 3D genomu pozostaje stabilna podczas różnicowania komórek?
Wiele badań sugeruje związek między przestrzenną organizacją genomów a podstawowymi procesami biologicznymi, takimi jak przeprogramowanie genomu, ekspresja genów i różnicowanie. Otwarta chromatyna embrionalnych komórek macierzystych (ESC) kondensuje się w represyjną heterochromatynę, gdy komórki wychodzą ze stanu pluripotencjalnego. Związek między zmianami w strukturze chromatyny a zmianami w ekspresji genów podczas różnicowania komórek posłużył jako paradygmat do zrozumienia związku między organizacją genomu a jego funkcją. Izolatory są zaangażowane w trójwymiarową organizację genomu w wielu skalach przestrzennych i są ważne dla dynamicznej reorganizacji struktury chromatyny podczas przeprogramowania i różnicowania. Białka architektoniczne orkiestrują organizację chromatyny wyższego rzędu poprzez ustanowienie interakcji między elementami regulacyjnymi w wielu skalach przestrzennych. Regulacja tych białek, ich interakcje z DNA i ich współwystępowanie w genomie mogą być odpowiedzialne za plastyczność trójwymiarowej architektury chromatyny, która dyktuje specyficzne dla komórki i czasu plany ekspresji genów.