Изучение эпигенетической регуляции на уровне отдельных молекул
Если представить геном как инструкцию для работы клетки, то каждая её страница покрыта аннотациями, выделениями и закладками. Роль некоторых из этих меток остаётся загадкой: активно ли они направляют «читателя» в нужное место в нужное время или просто отмечают уже посещённые страницы?
Это тонкое различие в языке клетки может играть важную роль в её выживании и функции. Как показали исследователи из группы Кребса в EMBL Heidelberg, одна из таких аннотаций — метилирование ДНК — оказывает высокоизбирательное влияние на экспрессию генов, которое варьируется в зависимости от типа и судьбы клетки.
В этой аналогии аннотации представляют собой эпигенетические метки, а «читатель» — это молекулярные машины, ответственные за экспрессию генов, включая специализированные белки — факторы транскрипции.
Когда определённый участок ДНК должен быть экспрессирован, окружающая его область претерпевает физические и химические изменения, становясь более доступной. Хотя метилирование ДНК распространено по всему геному, как именно оно влияет на доступность в конкретных регионах, оставалось малоизученным.
«Нас интересуют фундаментальные механизмы регуляции экспрессии генов, особенно cis-регуляторные элементы, такие как энхансеры — участки ДНК, контролирующие активность генов», — пояснил Арно Кребс.
Команду заинтересовал факт, что метилирование ДНК часто снижено на активных энхансерах, но причинно-следственная связь между этими событиями неясна. Приводит ли активация этих регионов к удалению метилирования? Или, наоборот, снижение метилирования само по себе запускает активацию?
Для исследования этого вопроса команда использовала разработанную в их лаборатории высокоразрешающую технику — single-molecule footprinting. Этот метод позволил одновременно измерить метилирование ДНК, её доступность и связывание факторов транскрипции на уровне отдельных молекул ДНК. Они применили его ко всему геному в нескольких типах клеток, включая эмбриональные стволовые клетки мыши и дифференцированные клетки. Такое сочетание масштаба и разрешения позволило глубже понять роль метилирования ДНК в живой клетке.
Команда обнаружила, что, хотя доступность ~97% изученных энхансеров не зависела от метилирования ДНК, около 3% требовали отсутствия метилирования для активации. На этих сайтах метилирование снижало доступность ДНК и напрямую препятствовало связыванию факторов транскрипции. Набор таких чувствительных к метилированию энхансеров различался между типами клеток и стадиями развития.
«Те 3% энхансеров, которые, по-видимому, регулируются метилированием ДНК, обогащены клеточно-специфичными энхансерами. Мы считаем, что они связаны с генами, важными для клеточной идентичности», — сказала Элиза Крейбих, первый автор исследования, опубликованного в Molecular Cell.
«Проводя измерения на уровне отдельных молекул, мы можем выяснить связи между различными уровнями регуляции генов в клетке. Хотя метилирование ДНК часто использовалось как маркер клеточных процессов, включая онкологические, наше исследование показывает, где оно действительно является инструктивным, а не просто показательным», — добавил Кребс.