Эпигенетическое подавление защищает от геномной нестабильности
Группа Сьюзан Гассер из FMI обнаружила механизм, с помощью которого эукариотические организмы защищают свои геномы от перестроек и делеций, возникающих из-за повторяющихся последовательностей ДНК.
Геномы человека, как и простых животных вроде червей, содержат множество повторов — часто это остатки древних вирусных инфекций. Обычно эта повторяющаяся ДНК находится в "молчащем" состоянии. Лаборатория Гассер показала, что транскрипция этих повторов в РНК приводит к образованию токсичных гибридов РНК и ДНК. Эти аномальные R-петли могут вызывать делеции и инсерции, угрожая целостности генома.
Задача по их подавлению возложена на универсально консервативную эпигенетическую модификацию гистона H3 — метилирование лизина 9 (H3K9me). Хотя эта модификация также глушит гены в процессе развития, исследование на C. elegans показало, что она не обязательна для дифференцировки тканей. Вместо этого её ключевая роль — защита генома от мутаций, вызванных повторами.
Роль метилирования гистонов
Метильные группы на гистонах (белках упаковки ДНК) служат сигналом для клеточных механизмов о том, должна ли последовательность ДНК транскрибироваться. Гистоны, метилированные по H3K9, упакованы плотнее, и ДНК вокруг них менее доступна для транскрипционного аппарата. Белки, добавляющие эти метильные группы — гистон-метилтрансферазы (HMTs) — вовлечены в дифференцировку клеток и развитие рака. Некоторые их ингибиторы уже проходят доклинические испытания.
Исследование на C. elegans
У млекопитающих есть как минимум 8 H3K9-HMTs с частично перекрывающимися функциями, что затрудняет изучение их роли in vivo. У C. elegans ситуация проще: есть только две такие HMTs, и они модифицируют гистоны, связанные как с повторяющейся ДНК, так и с тканеспецифичными генами.
Исследование, опубликованное в Nature Genetics, показало, что наличие H3K9me на повторяющихся элементах критически важно.
"В отсутствие метилирования H3K9 эти регионы начинают транскрибироваться в РНК, и эта нежелательная транскрипция связана с инсерциями, делециями и вариациями числа копий лежащей в основе ДНК. Потеря этих конкретных HMTs приводит к очень высокой скорости геномных мутаций", — комментирует Питер Зеллер, первый автор и PhD-студент в лаборатории Гассер.
Механизм повреждений
Нежелательные повреждения ДНК часто возникают, когда репликационная машина останавливается. Частая причина — столкновение ДНК-полимераз репликации с транскрипционным комплексом. В этом случае ДНК и РНК образуют очень стабильные структуры — R-петли, которые приводят к коллапсу вилки репликации. У червей, лишённых метилирования H3K9, эти R-петли были обогащены на нежелательно транскрибируемых повторяющихся элементах.
"Мы предполагаем, что именно R-петли приводят к мутациям, которые мы наблюдаем у червей с дефицитом H3K9me", — объясняет Ян Падекин, со-первый автор и постдок в группе.
Последствия для терапии рака
Для терапии рака, направленной на ингибирование H3K9-метилтрансфераз, это отрезвляющая новость.
"Не хотелось бы использовать для терапии рака реагент, который дестабилизирует геном здоровых клеток, особенно учитывая, что потеря H3K9me вызывает инсерции и делеции с ошеломляющей скоростью", — поясняет Гассер.
Дальнейшие исследования покажут, можно ли напрямую перенести выводы этой работы с червей на терапию человеческих раков.