Эпигенетический коммутатор

Новый аналитический метод позволяет систематически характеризовать эпигенетические метки на гистонах и показывает, что система адаптируется к потере отдельных ферментов-"писателей" и "ластиков".

В многоклеточном организме почти все типы клеток несут одинаковый набор генетических инструкций в последовательности ДНК. Однако каждая клетка экспрессирует только гены, необходимые для её специфической функции. То, какие гены и когда активируются, во многом определяется химической модификацией гистонов — белков, упаковывающих ДНК в ядре. Паттерн модификаций задаётся взаимодействием ферментов, которые присоединяют или удаляют различные метки ("писатели" и "ластики"), контролируемое эпигенетическими сигнальными путями. "Нарушения этих путей могут привести к развитию таких заболеваний, как рак или болезнь Альцгеймера", — говорит профессор Питер Бекер (LMU). Вместе с аспирантом Кристианом Феллером он охарактеризовал ферменты, участвующие в одном из таких путей, основанном на присоединении ацетильных групп к гистонам. Результаты исследования опубликованы в журнале "Molecular Cell".

Присоединение ацетильных групп к определённым участкам гистонов ослабляет их связь с ДНК, "открывая" соответствующие гены для активации. "Хотя ацетилирование гистонов известно давно, мы мало знаем о сайтах-мишенях в гистонах, о том, как образуются мотивы из групп на соседних сайтах и как часто такие мотивы встречаются в ядре", — объясняет Бекер. Разные мотивы ацетилирования, предположительно, являются мишенями разных эпигенетических сигнальных путей.

Медиаторы ацетилирования гистонов

Ацетилирование гистонов осуществляет большой набор специализированных ферментов — ацетилтрансфераз. Геном человека кодирует более 60 предполагаемых гистоновых ацетилтрансфераз, а плодовая мушка Drosophila melanogaster — более 40, большинство из которых очень похожи на человеческие. "Однако до сих пор технически невозможно было определить вклад отдельных ферментов в формирование мотивов ацетилирования", — говорит Бекер.

Адаптировав существующий аналитический метод, основанный на ферментативном фрагментировании гистонов и масс-спектрометрии, исследователи из LMU смогли надёжно количественно определить как отдельные модификации гистонов, так и их различные комбинации. "Наше тесное сотрудничество с экспертами по протеомике Акселем Имхофом и Игнаси Форне было ключевым. Оно позволило разработать оптимизированную процедуру масс-спектрометрического анализа фрагментов гистонов, которая может идентифицировать многие мотивы ацетилирования в клетке", — говорит Кристиан Феллер, первый автор исследования. Генетически подавляя функцию каждой отдельной ацетилтрансферазы (и деацетилазы) в клетках мух, исследователи смогли определить вклад большинства ферментов, экспрессируемых в Drosophila, в формирование каждого различного мотива ацетилирования. Эксперименты также показали, что наличие соседних ацетильных групп и других модификаций сильно влияет на сайты-мишени, распознаваемые многими ферментами.

Компенсаторные механизмы

"Самым удивительным открытием стало то, что истощение отдельных ацетилтрансфераз часто приводит к присоединению новых ацетильных меток на соседних сайтах, так что общий уровень ацетилирования часто остаётся очень близким к нормальному", — говорит Феллер. Способность биологических систем компенсировать потерю отдельных функциональных компонентов хорошо известна. "Однако степень, в которой система ацетилирования гистонов способна на это, стала большим сюрпризом, — добавляет Бекер, — и это иллюстрирует сложность схемы, связывающей различные эпигенетические сигнальные пути".

Новые результаты закладывают основу для будущей работы. Исследователи хотят выяснить, насколько сайты-мишени ацетилтрансфераз у плодовой мушки похожи на таковые у их аналогов в человеческих клетках. Является ли компенсаторное ацетилирование широко распространённым явлением и какова его функция? И, наконец, как можно использовать результаты нового исследования для разработки более эффективных ингибиторов ацетилтрансфераз для применения в терапии рака?