Ритм генов: как циркадные часы регулируют 3D-структуру хроматина

Биологи и генетики из EPFL выяснили, как циркадные часы управляют 24-часовым циклом экспрессии генов, регулируя структуру хроматина — плотно упакованного ДНК-белкового комплекса клетки. Работа опубликована в Genes & Development.

Циркадные часы — это внутренний биологический «метроном», определяющий 24-часовую активность. Они задают «ритм» синтеза множества белков, участвующих в биологических процессах, которые меняются во время сна и бодрствования.

В клетке ДНК плотно намотана на белки, образуя комплекс — хроматин. Эта 3D-структура уплотняет ДНК, предотвращает её повреждение и, что критически важно, регулирует экспрессию генов. Складчатость ДНК позволяет промоторам (участкам, инициирующим транскрипцию) взаимодействовать с дистальными (удалёнными от промоторов) участками ДНК — энхансерами — для регуляции экспрессии генов.

Учёных давно интересует этот процесс «петлеобразования промотор-энхансер» и то, как он позволяет включать гены в нужной ткани и в нужных условиях. Однако о том, как циркадные часы регулируют эту критическую часть экспрессии генов для организации суточного ритма синтеза белков, и меняется ли образование таких петель в течение дня, известно очень мало.

Лаборатория Феликса Наефа в EPFL обнаружила связь между петлеобразованием промотор-энхансер и циркадными часами. Для этого исследователи использовали метод circular chromosome conformation capture (4C-seq) на тканях печени и почек мыши. Этот метод анализирует пространственную организацию хроматина в клетке и обнаруживает все области генома, взаимодействующие с определённым интересующим участком.

Исследование показало, что взаимодействия промотор-энхансер осциллируют в течение 24-часового цикла в хроматине здоровых мышей, в отличие от мышей без функционирующих циркадных часов. Затем учёные инактивировали дистальный энхансерный элемент ДНК, содержащий инструкции для транскрипции гена Cryptochrome 1, который кодирует белок, участвующий в поддержании самого циркадного ритма. Эта небольшая модификация, далёкая от промотора Cryptochrome 1, оказалась достаточной, чтобы нарушить ритмичное петлеобразование хроматина в тканях, снизить суточную частоту транскрипции гена и даже укоротить циркадный период локомоции у мышей.

Это первое доказательство того, что мутация в некодирующей области генома способна влиять на период циркадной двигательной активности. Результаты показывают, что осциллирующее петлеобразование промотор-энхансер, контролируемое циркадными часами, является одним из регуляторных уровней, лежащих в основе циркадной транскрипции и общего 24-часового циклического поведения у животных.

«Самое интересное, что мы обнаружили аналогичное динамическое, или циркадное, петлеобразование при изучении гена Glycogen synthase 2, — говорит Феликс Наеф. — Этот ген необходим для хранения углеводов в печени и регуляции гомеостаза глюкозы в крови, и наши данные показывают, что циркадное петлеобразование важно для более широких физиологических функций печени».

Следующие шаги группы — изучить, могут ли динамические перестройки хроматина быть гораздо более общим явлением в тканях мыши, контролирующим другие физиологические функции. Также они оценят его вовлечённость в заболевания, связанные с нарушением работы часов.