Топологически ассоциированные домены

Топологически ассоциированные домены (англ. Topologically Associating Domains, TADs) — это структурные и функциональные единицы организации генома в трёхмерном пространстве клеточного ядра, представляющие собой участки хроматина, внутри которых генетические взаимодействия (например, контакты между энхансерами и промоторами) происходят значительно чаще, чем между соседними доменами. TADs были открыты в начале 2010-х годов благодаря развитию методов секвенирования контактов хроматина (Hi-C) и с тех пор считаются фундаментальным принципом упаковки ДНК у эукариот.

История открытия

Долгое время считалось, что хроматин в ядре организован хаотично или лишь на уровне хромосомных территорий. Однако в 2009 году группа учёных под руководством Джоба Деккера (Job Dekker) и Нэнси Клейншмидт (Nancy Kleckner) разработала метод Hi-C, позволяющий картировать все попарные контакты фрагментов ДНК в ядре. В 2012 году в журнале Nature вышли две ключевые работы: одна от лаборатории Эдит Хёрд (Edith Heard) на клетках мышей, другая от лаборатории Бинга Рена (Bing Ren) на эмбриональных стволовых клетках человека. В этих исследованиях впервые было показано, что геном делится на чёткие блоки — топологически ассоциированные домены, границы которых консервативны между разными типами клеток и даже между близкими видами (например, человеком и мышью).

Структура и характеристики

Размеры и количество

TADs имеют типичный размер от 100 тысяч до 1 миллиона пар оснований (100–1000 кб). У человека в геноме идентифицировано около 2000–3000 таких доменов. Размеры варьируют в зависимости от типа клеток и стадии развития, но в целом домены стабильны.

Границы TADs

Границы между доменами — это участки ДНК, которые препятствуют неспецифическим контактам между регуляторными элементами соседних доменов. Для границ характерно:

• Высокая плотность генов «домашнего хозяйства» (housekeeping genes).
• Присутствие сайтов связывания белка CTCF (CCCTC-связывающий фактор).
• Наличие котезинового комплекса, который вместе с CTCF образует петли хроматина.
• Активные гистоновые метки (например, H3K4me3).

Внутренняя организация

Внутри TAD хроматин организован в более мелкие структуры — субдомены и хроматиновые петли, которые формируются за счёт взаимодействия CTCF и котезина. Эти петли обеспечивают сближение энхансеров и промоторов генов, расположенных на расстоянии до нескольких сотен тысяч пар оснований.

Механизмы формирования

Основной механизм формирования TADs — петлевая экструзия (loop extrusion). Согласно этой модели, котезиновый комплекс (кольцевой белок) «наматывает» на себя нить ДНК, пока не встретит два ориентированных друг к другу сайта CTCF. Встреча с CTCF останавливает экструзию, и образуется стабильная петля. Границы TADs совпадают с такими остановленными петлями. Альтернативные модели включают:

• Фазовое разделение (liquid-liquid phase separation) — конденсация белков и РНК в отдельные капли, в которых удерживаются определённые участки генома.
• Ассоциация с ядерной ламиной — некоторые домены прикреплены к внутренней мембране ядра.

Функциональное значение

Регуляция транскрипции

TADs изолируют регуляторные элементы (энхансеры, сайленсеры) от генов соседних доменов. Это предотвращает «перекрёстные помехи» (cross-talk) — случайную активацию или подавление генов, расположенных вне своего домена. Например, энхансер гена Sonic hedgehog (SHH) находится в соседнем TAD, и его контакт с промотором SHH возможен только в пределах своего домена.

Координация экспрессии

Гены внутри одного TAD часто ко-регулируются — включаются или выключаются вместе. Это особенно важно для кластеров генов, отвечающих за развитие (Hox-кластеры) или дифференцировку клеток.

Стабильность генома

Нарушение границ TADs может приводить к неспецифическим контактам между энхансерами и онкогенами, что является одним из механизмов канцерогенеза. Например, при Т-клеточном лейкозе делеции в границах TADs вызывают активацию протоонкогена TAL1.

Методы изучения

Основной метод — Hi-C (high-throughput chromosome conformation capture) и его модификации:

• Micro-C — версия с более высоким разрешением (до 100 пар оснований).
• HiChIP — комбинация Hi-C с иммунопреципитацией хроматина для анализа контактов в определённых белковых комплексах.
• SPRITE (Split-Pool Recognition of Interactions by Tag Extension) — метод, не требующий лигирования фрагментов.

Дополнительно применяют:

• Флуоресцентную гибридизацию in situ (FISH) для визуализации конкретных TADs в ядре.
• Крио-электронную микроскопию для изучения ультраструктуры хроматина.
• Геномное редактирование (CRISPR/Cas9) для целенаправленного разрушения границ доменов.

Эволюционная консервативность

TADs обнаружены у всех изученных эукариот: от дрожжей и дрозофилы до человека. У дрожжей они менее выражены, но у позвоночных границы доменов высококонсервативны. Например, около 70% границ TADs человека совпадают с границами у мыши. Это указывает на эволюционное давление, направленное на сохранение трёхмерной организации генома.

Клиническое значение

Нарушения в организации TADs связаны с рядом заболеваний:

• Рак: мутации в гене CTCF или котезиновых субъединицах (например, STAG2) часто встречаются при раке мочевого пузыря, меланоме и лейкозах. Потеря границ TADs ведёт к аберрантной активации онкогенов.
• Врождённые пороки развития: делеции в границах TADs могут нарушать регуляцию генов развития. Например, при синдроме Корнелии де Ланге мутации в котезиновом комплексе вызывают множественные аномалии.
• Нейродегенеративные заболевания: изменения в организации TADs обнаружены при болезни Альцгеймера и боковом амиотрофическом склерозе (БАС).

Критика и нерешённые вопросы

Несмотря на широкое признание, концепция TADs имеет ограничения:

• В некоторых типах клеток (например, в ооцитах) TADs выражены слабо или отсутствуют.
• Границы доменов могут быть «размытыми» — между TADs существуют переходные зоны.
• Роль TADs в регуляции транскрипции не универсальна: некоторые гены эффективно взаимодействуют с энхансерами за пределами своего домена.
• Механизмы формирования TADs в разных организмах могут различаться.

Интересные факты

• В геноме человека самый крупный TAD (около 2 млн п.о.) находится на хромосоме 2 и содержит кластер генов HOXD.
• У плодовой мушки Drosophila TADs в основном совпадают с репликонными единицами — участками, реплицирующимися одновременно.
• В 2023 году российские учёные из Института молекулярной биологии РАН показали, что TADs могут перестраиваться при вирусных инфекциях, например, при заражении клеток вирусом герпеса.

Источники

• Dixon J.R., Selvaraj S., Yue F. et al. Topological domains in mammalian genomes identified by analysis of chromatin interactions. Nature, 2012, 485: 376–380.
• Nora E.P., Lajoie B.R., Schulz E.G. et al. Spatial partitioning of the regulatory landscape of the X-inactivation centre. Nature, 2012, 485: 381–385.
• Fudenberg G., Imakaev M., Lu C. et al. Formation of Chromosomal Domains by Loop Extrusion. Cell Reports, 2016, 15(9): 2038–2049.
• Dekker J., Mirny L. The 3D Genome as Moderator of Chromosomal Communication. Cell, 2016, 164(6): 1110–1121.
• Lupiáñez D.G., Kraft K., Heinrich V. et al. Disruptions of topological chromatin domains cause pathogenic rewiring of gene-enhancer interactions. Cell, 2015, 161(5): 1012–1025.
• Rao S.S.P., Huntley M.H., Durand N.C. et al. A 3D map of the human genome at kilobase resolution reveals principles of chromatin looping. Cell, 2014, 159(7): 1665–1680.