Биологи разработали периодическую таблицу ядер клеток, открыв новые возможности в генной инженерии

Художественная интерпретация эволюции от приматов через современных людей до комаров. Это произведение представляет собой игру воображения на основе данных, собранных биологами из Медицинского колледжа Бейлора, Нидерландского института рака и Университета Райса, которые показывают, что организация человеческого генома может измениться во что-то, напоминающее организацию генома комаров. Иллюстрация Йориса Костера / Нидерландский институт рака.

Международная группа биологов разработала новую систему классификации ядер клеток, что привело к открытию метода преобразования одного типа ядра клетки в другой.

Периодическая система химических элементов была создана более 150 лет назад Дмитрием Менделеевым, как система классификации элементов на основе возрастающего числа электронов в атоме. Команда биологов, создавшая новую «периодическую таблицу» для ядер клеток, использовала оригинальную таблицу Менделеева, а также свои знания о древе жизни в качестве вдохновения для своего собственного проекта.

Команда, опубликовавшая свои выводы в журнале Science, считает, что новая таблица и открытие могут привести к совершенно новому методу генной инженерии.

Системы классификации на основе хромосом

Работа над таблицей ядер клеток началась с ученых из консорциума под названием DNA Zoo, изучающих системы классификации хромосом, основанные на том, как они складываются, чтобы соответствовать ядрам различных видов животных.

«Независимо от того, смотрели ли мы на червей, ежей или кораллов, мы постоянно наблюдали одни и те же схемы складывания», — сказала Ольга Дудченко, соавтор нового исследования.

Команда в конечном итоге поняла, что это просто видение вариантов двух общих ядерных конструкций: «у некоторых видов хромосомы организованы как страницы печатной газеты, с внешними полями с одной стороны и согнутой серединой с другой», — пояснила Дудченко. «А у других видов каждая хромосома скомкана в маленький шарик».

Работа с белком «конденсин II»

Пытаясь раскрыть механизм, лежащий в основе их открытия, и выяснить, возможно ли преобразовать один тип ядра в другой в лаборатории, команда из DNA Zoo объединилась с группой ученых из лаборатории Бенджамина Роуленда в Нидерландском институте рака (NCI).   

Команда NCI работала над экспериментами с белком, называемым, конденсин II, который участвует в делении клеток. Его мутирование привело к удивительному наблюдению:

«Когда мы мутируем этот белок в человеческих клетках, хромосомы полностью перестраиваются», — пояснила Клэр Хенкамп, соавтор исследования и член команды NCI. 

Преобразование человеческих клеток из одного ядерного типа в другой

Обе команды начали сотрудничать после того, как пришли к осознанию того, что открытие Хенкамп, по сути, предоставило метод преобразования человеческих клеток из одного ядерного типа в другой.

«Когда мы посмотрели на геномы, изучаемые в DNA Zoo, мы обнаружили, что эволюция уже проводила наш эксперимент много-много раз! Когда мутации в каком-либо виде разрушают конденсин II, они обычно меняют всю архитектуру ядра», — сказал Бенджамин Роуленд, старший автор исследования. 

Из-за пандемии команды не выходили из дома, поэтому обратились к искусственному интеллекту, чтобы проверить свои выводы. Они разработали имитационные модели, которые показали, что,  разрушая конденсин II, человеческое ядро ​​может быть реорганизовано в ядро ​​другого вида, например, мухи. 

«Мы начали с невероятно широкого обзора двух миллиардов лет ядерной эволюции», — сказал соавтор Сумитабха Брахмачари. «И мы обнаружили, что все сводится к одному простому механизму, который мы можем смоделировать, а также повторить самостоятельно в пробирке».