Новое исследование раскрывает разделение труда между генетическими переключателями
Клетки самок млекопитающих сталкиваются с проблемой дозировки генов, поскольку у них вдвое больше X-хромосом, чем необходимо организму. В результате одна из них случайным образом выбирается и отключается уже на ранних стадиях эмбрионального развития. Ген Xist активируется и производит сотни молекул РНК, которые обволакивают одну X-хромосому, заставляя её сжиматься в компактный комок.
Но как клетка понимает, что нужно отключить одну хромосому в определённый момент — но только если их две? Исследовательская группа под руководством Лизы Майтнер, главы группы Эдды Шульц из Института молекулярной генетики Макса Планка (MPIMG), нашла ответ на эту многолетнюю загадку в стволовых клетках мыши и опубликовала результаты в журнале Molecular Cell.
Новая генетическая схема
Учёные из Берлина идентифицировали генетическую схему, которая получает информацию о стадии развития клетки и передаёт её гену Xist. «Мы обнаружили регуляторную область, которая определяет, покинула ли клетка состояние стволовой клетки», — говорит Эдда Шульц.
Новый обнаруженный генетический переключатель, названный «Xert», принадлежит к семейству регуляторных последовательностей «энхансеров». Он не способен самостоятельно запустить программу инактивации. Xist отреагирует на сигналы развития только в том случае, если он свободно доступен и не заблокирован другими факторами, что происходит при наличии в клетке двух X-хромосом. Только при выполнении обоих условий Xist может «замолчать» «лишнюю» X-хромосому.
Элементы ДНК вокруг Xist обрабатывают информацию из разных источников, почти как компьютер, говорит Шульц: «У клетки есть программы, которые можно запускать и останавливать. Но в отличие от машины из проводов и кремния, её схемы состоят из молекул, которые стыкуются друг с другом или создаются химическими реакциями».
Понимание через нарушение
«Наша цель состояла в том, чтобы проследить генетические схемы, не зная их чертежей», — говорит Рутгер Гьялтема, учёный из лаборатории Шульц и первый автор статьи. «В итоге мы получили довольно полную картину регуляторного ландшафта Xist».
В первоначальном скрининговом эксперименте учёные определили 138 сегментов ДНК на X-хромосоме, которые, по-видимому, были каким-то образом вовлечены в передачу сигналов вокруг гена Xist. Для каждого из сегментов они разработали фрагмент ДНК, который мог индивидуально нацеливаться и выключать потенциальные генетические переключатели. Исследователи поместили эти фрагменты в вирусоподобные частицы, заразили ими клетки и наблюдали, в каких случаях производство РНК Xist усиливалось или нарушалось.
«Мы выследили множество уже известных регуляторов Xist, что было хорошим знаком, поскольку подтверждало работоспособность нашего подхода», — говорит Тилль Швеммле, ещё один учёный из команды Шульц и также первый автор статьи. «Более захватывающим, конечно, было то, что в анализах обнаружился ряд совершенно неизвестных последовательностей».
Разделение труда в пространстве
Чтобы исследовать функцию новых последовательностей, Гьялтема и Швеммле сравнили их активность в стволовых клетках, развивающихся клетках и клетках с двумя или только одной X-хромосомой. Они заметили, что, по-видимому, существует разделение труда между генетическими переключателями и поразительное пространственное разделение.
Первый переключатель расположен в непосредственной близости от Xist и его стартовой последовательности. Он срабатывает только при наличии двойной дозы ферментов, закодированных на X-хромосоме. Эти ферменты, по-видимому, опосредуют деградацию факторов, блокирующих участки рядом с Xist. Как только фермента становится достаточно, ген становится доступным для сигналов энхансера Xert. Однако при наличии только одной X-хромосомы его слишком мало, и Xist остаётся заблокированным и не может выполнять свою работу.
Второй переключатель расположен не рядом с Xist, объясняет Шульц: «Подобно другим генам развития, энхансер находится относительно далеко от своего гена-мишени. ДНК должна изогнуться в петлю, чтобы вступить в контакт с геном». Вместе с исследовательской группой Штефана Мундлоса из MPIMG её команда изучила трёхмерную структуру ДНК вокруг гена Xist. «Мы показываем, что сигналы, далёкие друг от друга на нити ДНК, интегрируются».
«Два сигнальных пути связаны», — говорит Шульц. «Область в непосредственной близости от Xist взводит механизм, действуя как переключатель включения-выключения. Затем энхансер может нажать на спусковой крючок, когда клетка достаточно развилась».
Модель для других генов развития
Новые открытия дают ключи для дальнейших многолетних исследований, чтобы полностью выяснить инактивацию X-хромосомы, говорит Шульц. Однако, хотя процесс, контролируемый Xist, уникален в животном мире, механизмы генетического контроля — нет. Шульц считает, что регуляцию Xist также можно использовать для лучшего понимания других генов развития: «Инактивация X — сама по себе увлекательная система, но что важнее всего, это очень ценная модель для лучшего понимания регуляторных взаимосвязей в нашем геноме».