Как «главные регуляторы» клеток делают ДНК доступной для экспрессии генов

Новое исследование белков-«пионерных факторов» объясняет их уникальную способность открывать плотно упакованный генетический материал в наших клетках. Это делает ДНК доступной для белков, участвующих в ключевых процессах: репликации и репарации ДНК, экспрессии генов и синтезе белков.

Учёные из Университета Пенсильвании и Университета Огайо использовали комбинацию структурной биологии, биофизики и клеточной биологии, чтобы понять, как эти «главные регуляторы» генома взаимодействуют с нуклеосомами — основной единицей генома всех эукариотических клеток, от дрожжей до человека.

ДНК в ядре клетки обёрнута вокруг белков-гистонов и упакована в плотные комплексы — нуклеосомы. Они, напоминающие бусины на нити ДНК, далее упаковываются в хроматин, из которого состоят хромосомы.

«Нуклеосомы являются барьером для связывания многих белков с хроматином, но пионерные факторы обладают особым свойством: они могут внедряться в нуклеосому и создавать открытые участки, доступные для других факторов», — пояснила Лу Бай, соавтор исследования.

Исследование опубликовано в журнале Molecular Cell.

Пионерные факторы — это тип транскрипционных факторов, белков, критически важных для процесса транскрипции (копирования ДНК в РНК). В то время как многие транскрипционные факторы могут связываться с нуклеосомой, большинство быстро отсоединяется. Пионерные же факторы обладают «механизмом компенсации диссоциации», позволяющим им оставаться стабильно связанными с нуклеосомой в течение длительного времени.

Команда сравнила пионерный фактор Cbf1 и непионерный транскрипционный фактор Pho4 у почкующихся дрожжей. Белки имеют сходную общую структуру и распознают одни и те же последовательности ДНК, но по-разному ведут себя рядом с нуклеосомой. Используя криоэлектронную микроскопию, исследователи выявили у пионерного фактора структуру, которая, как они полагают, способствует его способности внедряться в нуклеосому.

«Согласно нашей структуре, Cbf1 взаимодействует не только с ДНК-частью нуклеосомы, но и с гистонами внутри неё через свой helix-loop-helix домен», — сказал Сонг Тан, соавтор исследования.

Чтобы подтвердить роль этого домена, команда создала «химерные» белки, удалив helix-loop-helix домен у пионерного фактора и добавив его к непионерному. Затем они измерили скорость диссоциации этих химер от нуклеосомы.

«Удаление домена у пионерного фактора ускорило диссоциацию, ослабило механизм компенсации и резко снизило его эффективность. Поразительно, но добавление этого домена придало непионерному фактору свойства пионерного», — отметил Майкл Пуарье, соавтор исследования.

Для дальнейшего подтверждения учёные проверили, как эти химеры функционируют в живых дрожжевых клетках. Они обнаружили, что как оригинальный пионерный фактор, так и модифицированный непионерный фактор облегчали внедрение в нуклеосому и её раскрытие. Эти результаты в совокупности объясняют, как пионерные факторы получают доступ к нуклеосоме и повышают доступность ДНК для других факторов.

«Это исследование стало возможным только благодаря объединению экспертизы наших трёх групп, — сказал Сонг Тан. — Моя группа сосредоточилась на структурной биологии, группа Майкла Пуарье в Огайо — на биофизике одиночных молекул, а группа Лу Бай в Пенсильвании — на клеточной биологии in vivo».