Как фермент, связанный со старением, получает доступ к нашему генетическому материалу?

Новое исследование показывает, как фермент сиртуин, регулирующий старение и другие метаболические процессы, получает доступ к генетическому материалу внутри клетки, чтобы модулировать экспрессию генов. Учёные из Университета Пенсильвании впервые получили изображения фермента сиртуина, связанного с нуклеосомой — плотно упакованным комплексом ДНК и белков-гистонов. Это раскрыло, как фермент ориентируется в комплексе, чтобы получить доступ как к ДНК, так и к гистонам, и прояснило механизм его работы у людей и других животных.

Статья с результатами опубликована 14 апреля в журнале Science Advances.

Сиртуины — это ферменты, встречающиеся у организмов от бактерий до человека и играющие важную роль в старении, реакции на повреждение ДНК и подавлении опухолей при различных видах рака. Фармацевтические компании изучают их потенциал для биомедицинского применения. Много внимания уделяется способности некоторых сиртуинов снижать экспрессию генов, удаляя химическую метку (ацетильную группу) с белков гистонов.

«В наших клетках ДНК не "голая", как в учебниках; она намотана на гистоны внутри крупного комплекса — нуклеосомы», — объясняет Сонг Тан, профессор молекулярной биологии. — «Эта упаковка также может нести сигналы для включения или выключения генов: добавление ацетильной метки к гистонам включает ген, а её удаление — выключает. Сиртуины могут "заглушать" активность гена, удаляя ацетильную метку с гистонов в нуклеосомах».

Предыдущие исследования были сосредоточены на взаимодействии сиртуинов с короткими изолированными фрагментами гистонов («хвостами»), так как с ними проще работать. Нуклеосома же в сто раз больше таких пептидов и намного сложнее для изучения.

«Мы визуализировали фермент SIRT6 на его физиологически релевантном субстрате — целой нуклеосоме», — говорит Жан-Поль Армаш, доцент биохимии. — «Мы обнаружили, что SIRT6 взаимодействует с несколькими частями нуклеосомы, а не только с тем гистоном, где находится модифицируемая ацетильная метка».

С помощью крио-электронной микроскопии исследователи выяснили, как SIRT6 позиционируется на нуклеосоме, чтобы удалить ацетильную группу с позиции K9 на гистоне H3. Биохимические эксперименты подтвердили результаты.

Учёные обнаружили, что SIRT6 связывается с нуклеосомой с помощью «аргининового якоря». Этот тип связывания, описанный лабораторией Тана в 2014 году, используют многие белки, нацеленные на кислый участок поверхности нуклеосомы. В данном случае удлинённая петля SIRT6 помещается в углубление этого участка.

«Когда мы мутировали аргининовый якорь SIRT6, активность фермента в позиции K9 сильно нарушилась. Удивительно, но эта мутация также повлияла на ферментативную активность SIRT6 в другой, более удалённой позиции — K56».

Вместо того чтобы связываться с нуклеосомой двумя разными способами для доступа к двум позициям, возможно, SIRT6, связываясь для доступа к K9, одновременно получает доступ и к K56.

«SIRT6 связывается с частично развёрнутой нуклеосомой, где ДНК смещена с её конца», — говорит Армаш. — «Это обнажает позицию K56, и возможно, SIRT6 может, образно говоря, наклониться, чтобы дотянуться до неё. Мы надеемся проверить эту гипотезу в будущем, а также изучить, как SIRT6 работает вместе с другими ферментами».