Геномные правила фазового расположения нуклеосом у дрозофилы

Исследователи из LMU впервые систематически определили позиционирование упаковочных единиц генома плодовой мушки и обнаружили новый белок, который определяет их взаимосвязь с последовательностью ДНК.

В организмах, хранящих свою геномную ДНК в ядре, генетическая информация упакована в конденсированную форму, называемую хроматином. В хроматине ДНК намотана на частицы — нуклеосомы, каждая из которых состоит из четырёх гистоновых белков, а получившиеся «катушки» разделены друг от другом линкерной ДНК. Каждая хромосома клетки может быть представлена как открытое ожерелье, где ДНК — нить, а нуклеосомы — жемчужины. Точное позиционирование нуклеосом относительно нуклеотидной последовательности каждой молекулы ДНК и расстояния между ними могут иметь важные последствия для регуляции генов и должны строго контролироваться.

Используя в качестве модели плодовую мушку Drosophila melanogaster, команда под руководством профессора Питера Беккера из Биомедицинского центра LMU систематически определила расположение нуклеосом вдоль ДНК и идентифицировала новый белок, который играет роль в спецификации их позиций. Результаты опубликованы в новом выпуске журнала Molecular Cell.

Предыдущие исследования показали, что нуклеосомы в начале активных генов часто организованы очень упорядоченно, с фиксированной длиной ДНК, разделяющей каждую следующую. Такое неслучайное расположение известно как фазовый массив нуклеосом, а само явление называется фазовым расположением нуклеосом. «Эти группы нуклеосом могут быть упорядочены таким образом, чтобы оставлять важные регуляторные последовательности ДНК открытыми», — объясняет Сандро Бальди, первый автор исследования. Поэтому команда целенаправленно искала такие массивы в геноме дрозофилы. Это, по сути, потребовало создания полногеномной карты позиций всех нуклеосом плодовой мушки. С помощью новых методов анализа данных команде Беккера удалось идентифицировать и каталогизировать все сайты, где обнаруживаются фазовые нуклеосомные массивы.

Оказалось, что около половины регулярно расположенных нуклеосом находились вблизи активных генов. Этот результат подтвердил, что фазовое расположение действительно связано с активностью генов. «Но, к нашему удивлению, другая половина регулярно упорядоченных наборов нуклеосом не была связана ни с генными последовательностями, ни с другими известными регуляторными регионами ДНК», — говорит Бальди.

Чтобы больше узнать о механизмах, лежащих в основе позиционирования нуклеосом, Беккер и его коллеги разработали новый метод сборки хроматина дрозофилы in vitro. Они сначала выделили ДНК плодовой мушки, свободную от белков, а затем добавили белковый экстракт, полученный из яиц дрозофилы. Этот экстракт содержит все факторы, необходимые для развития раннего эмбриона, включая гистоны и негистоновые белки, связывающиеся с хроматином.

«В течение часа после добавления экстракта к очищенной геномной ДНК компоненты смеси автономно сформировали, по сути, ту же структуру хроматина, что мы находим в ядрах клеток дрозофилы», — говорит Беккер. В частности, исследователи подтвердили, что фазовые группы нуклеосом, не связанные с активными генами, правильно размещаются в процессе самосборки. В дальнейших экспериментах они обнаружили ранее не охарактеризованный белок, который связывается непосредственно с голой ДНК и запускает формирование регулярно расположенной группы нуклеосом вокруг неё.

«Этот новый белок, предположительно, играет важную роль в организации генома, поскольку он является одним из основных факторов, ответственных за фазовое расположение, поэтому мы назвали его Phaser», — говорит Беккер. «Пока не ясно, есть ли у млекопитающих похожий белок. Во всяком случае, выяснение функций таких фазерных белков будет очень интересным. Наш метод реконституции хроматина in vitro позволит получить представление о других механизмах организации генома и может быть использован для дальнейших детальных исследований многих других аспектов биологии генома».