Появление новых методов изучения хроматина (цитологических – на основе метода FISH; молекулярных – таких как 3C, Hi-C) продемонстрировало закономерности пространственной укладки ДНК в ядре клетки. Результаты использования этих методов позволяют полагать, что в регуляции работы генов весомую роль играет трёхмерная организация хроматина, а также связать нарушения пространственной организации хроматина с определёнными заболеваниями. Физическое моделирование хроматина как полимера продемонстрировало, что в основе укладки генома лежат физические закономерности и процессы (энтропийная упругость, механическое расталкивание ДНК, механизм «протягивания петли» когезинами и конденсинами и другие). Хромосомы типа ламповых щёток представляют собой очень интересный объект для исследований и моделирований благодаря тому, что каждую такую хромосому в отдельности можно достаточно полно описать при помощи прямых методов визуализации (световая микроскопия и FISH), а после сопоставить с косвенным методом получения пространственной организации (Hi-C). Так как хромосомы - ламповые щётки образуются только на определённой стадии развития ооцитов птиц и земноводных, то для изучения пространственной организации хроматина в хромосомах типа ламповых щёток нами был оптимизирован метод Hi-C для получения качественных данных для одиночных клеток. Дополнительно, нашими коллегами был поставлен RNA-seq эксперимент на одиночных ооцитах для сопоставления паттернов экспрессии с контактными доменами хроматина и латеральными петлями. На основании результатов Hi-C и RNA-seq экспериментов можно предположить, что выпетливанию участков ДНК способствует активная транскрипция геномного локуса, а также предложить два основных физических механизма формирования доменов хроматина (аналогов топологически-ассоциированных доменов), не связанных с механизмом «протягивания петли»: путём сталкивания когезинов РНК-полимеразой и путём суперспирализации цепи ДНК.

Работа поддержана грантом РНФ 22-14-00247

The emergence of new methods for studying chromatin (cytological – based on the FISH method; molecular – such as 3C, Hi-C) demonstrated the patterns of spatial DNA organization in the cell nucleus. The results of these methods usage suggest that the three-dimensional organization of chromatin plays a significant role in the regulation of genes, as well as the spatial organization disorder of chromatin is connected with certain diseases. Physical modeling of chromatin as a polymer demonstrated that the basis of genome stacking is based on physical patterns and physical processes (entropic elasticity, mechanical repulsion of DNA, the mechanism of "stretching the loop" by cohesins and condensins, and others). Lampbrush-type chromosome is very interesting object for research and modeling due to the fact that each such chromosome individually can be described quite fully using direct imaging methods (light microscopy and FISH), and then compared with the indirect method of obtaining spatial organization (Hi-C). Since lampbrush chromosomes are formed only at a certain stage of development of avian and amphibian oocytes, we optimized the Hi-C method to obtain the spatial organization of chromatin in lamp brush type chromosomes to get high-quality data for single cells. Additionally, our colleagues conducted an RNA-seq experiment on single oocytes to compare expression patterns with chromatin contact domains and lateral loops. Based on the results of Hi-C and RNA-seq experiments, it can be assumed that active transcription of the genomic locus contributes to the extraction of DNA sites, and also suggest two main physical mechanisms for the formation of chromatin domains (analogues of topologically-associated domains) that are not related to the mechanism of "loop stretching": by colliding cohesins with RNA polymerase and by superspiralization of DNA chains.

This work was supported by the Russian Science Foundation (grant № 22-14-00247)