Искусственный химический переключатель ДНК помогает понять эпигенетические механизмы

Исследователи из Чешской академии наук и Карлова университета создали искусственный химический переключатель ДНК, сделав первый шаг к искусственной эпигенетике — целенаправленному включению и выключению генов. Их статья недавно опубликована в журнале Chemical Science.

Генетическая информация в ДНК передаётся в ходе двух последовательных процессов, разделённых в пространстве и времени, которые приводят к образованию белков. В первом процессе, транскрипции, информация гена копируется в молекулу РНК — матричную РНК (mRNA), которая на втором этапе служит шаблоном для синтеза конкретного белка в клетке в ходе трансляции. Однако над этим базовым уровнем генетической информации существует другой — эпигенетика, которая определяет, какие гены активны в данный момент и транскрибируются в mRNA, а какие, наоборот, выключены. Это переключение регулируется несколькими механизмами. Один из важнейших — химические модификации оснований ДНК, то есть метилирование и деметилирование ДНК, при которых метильная группа добавляется или удаляется в определённом месте ДНК. Эти очень небольшие модификации регулируют транскрипцию в РНК и образование соответствующих белков.

Команда учёных под руководством профессора Михала Гоцека и доктора Либора Красны теперь использовала искусственно приготовленную модифицированную ДНК, чтобы раскрыть секрет регуляции этих эпигенетических изменений.

В своей предыдущей статье исследователи опубликовали неожиданное открытие: модифицированные пиримидиновые нуклеозиды, содержащие гидроксиметильную группу, усиливают транскрипцию с помощью бактериальной РНК-полимеразы. Эти гидроксиметилированные пиримидины естественным образом встречаются как минорные основания в геномах некоторых организмов. Теперь же учёные приготовили маскированные производные этих оснований, содержащие специальную фотоудаляемую защитную группу, что делает всю модифицированную ДНК «выключенной» с точки зрения транскрипции. После краткого облучения видимым светом (длина волны 400 нм) маскирующие группы удаляются, и транскрипция включается. На следующем этапе транскрипцию можно снова выключить с помощью другой реакции: ферментативного фосфорилирования гидроксиметильных групп.

Этот концептуально новый подход уникален, в частности, потому, что он индуцирует переключение с помощью химических реакций в большой бороздке ДНК. Таким образом, в принципе, он мог бы установить ещё один искусственный уровень эпигенетической регуляции, который мог бы функционировать параллельно с естественной эпигенетикой. При этом с помощью довольно простых химических реакций, которые в обычных условиях не происходят в клетке, можно было бы влиять на включение и выключение генов и, следовательно, на образование специфических белков, которые, например, играют роль в развитии или лечении различных заболеваний.

Пока этот новый метод переключения экспрессии генов, который учёные опубликовали в журнале Chemical Science, был продемонстрирован только in vitro (в пробирке). Его применение в живых клетках или организмах потребует преодоления ряда других препятствий. На данный момент результаты породили больше вопросов, чем ответов, но они открывают дверь нескольким новым и интересным направлениям исследований. В настоящее время наиболее привлекательна гипотеза о том, что это может быть механизм, с помощью которого бактерии эффективно предотвращают транскрипцию вирусной ДНК (посредством фосфорилирования вирусной ДНК, которая у некоторых вирусов естественным образом гидроксиметилирована), а также возможность целенаправленной регуляции экспрессии генов, которая была бы ограничена по времени. Будучи модифицированной таким образом, ДНК включалась бы только на желаемый период, а естественная нестабильность такой ДНК в клетке предотвращала бы долгосрочные побочные эффекты. Исследования в этой области будут продолжены и в будущем могут привести к значительному прорыву в понимании механизмов регуляции экспрессии генов организмами.