Ключевой белок CTCF контролирует организацию доменов в хромосомах
Учёные из Институтов Глэдстоун выяснили, как белок CTCF регулирует организацию ДНК в человеческих клетках, открыв его ключевую роль в изоляции топологически ассоциированных доменов (TAD).
Загадка упаковки ДНК
Человеческий геном содержит около 30 000 генов, упакованных в шесть футов ДНК, которые организованы в хромосомы внутри микроскопических клеток. Хромосомы образуют петли, которые группируются в крупные домены — TAD. Внутри каждого TAD гены и их регуляторные элементы взаимодействуют друг с другом, но изолированы от соседних доменов.
«Горячим вопросом было: что контролирует эту организацию TAD?» — говорит Эльфеж Нора, первый автор исследования.
Роль белка CTCF
В новом исследовании, опубликованном в журнале Cell, учёные обнаружили, что ключом к организации TAD является белок CTCF, который находится на границах этих доменов.
Изучать роль CTCF было сложно, так как он абсолютно необходим для выживания клеток: его полное удаление приводило к их гибели. Исследователи использовали новый генетический метод для быстрого и полного устранения CTCF в клетках млекопитающих, что позволило изучить геном до гибели клеток.
В сотрудничестве с командами вычислительных биологов (под руководством Леонида А. Мирного, MIT) и биохимиков (под руководством Джоба Деккера, Медицинская школа Массачусетского университета) учёные показали, что в отсутствие белка CTCF изолирующие границы доменов TAD практически полностью исчезают.
«Гены и регуляторные элементы теперь могли взаимодействовать с таковыми в соседних TAD. Это как убрать стену между смежными комнатами», — поясняет Нора.
При этом отсутствие CTCF мало повлияло на взаимодействие генов внутри одного TAD. Это указывает, что CTCF необходим для изоляции TAD друг от друга, но не для упаковки генов внутри этих доменов. Исследование впервые убедительно показывает, что эти два механизма разделены и контролируются разными белками.
Пересмотр понимания компартментализации
Учёные также изучили влияние удаления CTCF на другой уровень организации — компартментализацию, которая разделяет активные и неактивные гены в ядре клетки.
«К нашему удивлению, мы обнаружили, что это не так, — говорит Бенуа Брюно, старший автор исследования. — Когда мы удалили белок CTCF, что привело к исчезновению границ TAD, мы не увидели влияния на организацию более крупных компартментов».
Этот интересный результат показал, что CTCF и структура TAD не требуются для компартментализации; за эту организацию хромосом отвечает независимый механизм.
Значение для медицины
«Наши результаты переопределяют роль CTCF в регуляции генов и дают новое понимание фундаментальных процессов, управляющих организацией генома, — добавляет Брюно. — Теперь мы можем начать переоценку причин нескольких заболеваний, поскольку организация хромосом, включая TAD, часто нарушена при многих раках и задействована в серьёзных дефектах развития, таких как врождённый порок сердца».
Предварительная версия исследования была размещена на сервисе препринтов bioRxiv и за несколько месяцев загружена почти 5 000 раз, что, по словам авторов, предоставило ценные отзывы для финальной публикации.