Экструзия хроматина объясняет ключевые особенности образования петель и доменов в дикого типа и модифицированных геномах

Мы недавно использовали in situ Hi-C для создания трёхмерных карт геномов млекопитающих с килобазовым разрешением. Здесь мы комбинируем эти карты с новыми экспериментами Hi-C, микроскопии и редактирования генома, чтобы исследовать физическую структуру хроматиновых фибрилл, доменов и петель. Мы обнаружили, что наблюдаемые контактные домены несовместимы с равновесным состоянием обычного конденсированного поли-мера. Комбинируя данные Hi-C и новые математические теоремы, мы показываем, что контактные домены также не согласуются с фрактальным глобулом. Вместо этого мы используем физические симуляции для изучения двух моделей упаковки генома. В одной модели межмономерное притяжение при конденсации полимера приводит к образованию анизотропного «глобула напряжения» (tension globule). В другой модели фактор связывания CCCTC (CTCF) и cohesin действуют совместно, экструзируя нескрученные петли в интерфазе. Обе модели согласуются с наблюдаемыми контактными доменами и с тем фактом, что контактные домены стремятся формироваться внутри петель. Однако модель экструзии объясняет гораздо более широкий набор наблюдений, например, почему петли, как правило, не перекрываются, и почему мотивы связывания CTCF у пар якорей петель ориентированы сходящимся образом. Наконец, мы провели 13 экспериментов по редактированию генома, изучающих эффект изменения сайтов связывания CTCF на сворачивание хроматина. Правило сходящейся ориентации корректно предсказывает затронутые петли во всех случаях. Более того, модель экструзии точно предсказывает in silico трёхмерные карты, полученные в каждом эксперименте, используя только расположение сайтов связывания CTCF в дикого типа (WT). Таким образом, мы показываем, что возможно разрушать, восстанавливать и перемещать петли и домены с помощью целевых мутаций размером до одного нуклеотида.