Учёные манипулируют путём Set2, чтобы показать, как гены точно копируются

Первый шаг в экспрессии генов — точное копирование сегмента ДНК ферментом РНК-полимеразой II (pol II) в зеркальную РНК. Учёные знают, что pol II не транскрибирует РНК плавно, а сталкивается с препятствиями — ДНК, плотно намотанной вокруг гистоновых белков. Эти белки должны быть отодвинуты, чтобы pol II могла пройти.

Предыдущие работы лаборатории Джерри Воркмана из Института медицинских исследований Стоуэрс показали, как белок Set2, ассоциированный с pol II, биохимически восстанавливает ингибирующий гистоновый ландшафт после завершения транскрипции, чтобы предотвратить экспрессию потенциально вредных фрагментов РНК. Теперь в исследовании, опубликованном 22 августа 2012 года в Nature, его группа использовала мутантов дрожжей по Set2, чтобы раскрыть удивительный механизм, который клетки используют для поддержания экспрессии генов — как в нормальных условиях, так и в патологических, например, в раковых клетках.

Два класса факторов ремоделирования хроматина соревнуются за активацию или репрессию экспрессии генов. «Активаторы» отделяют гистоны от ДНК, позволяя пройти pol II, путём добавления ацетильных групп к гистонам, что ослабляет их связь с ДНК. Противоположная команда, включающая Set2, затем прекращает экспрессию гена, помечая гистоны метильной группой, что привлекает фермент, удаляющий ацетильные группы и возвращающий хроматин в недоступное состояние. Эта репрессия гарантирует, что ошибочная инициация транскрипции не произойдёт на так называемых «криптических» сайтах внутри гена.

Чтобы исследовать возможное перемешивание гистонов, группа оценила химическую модификацию гистонов в штамме дрожжей Saccharomyces cerevisiae, сконструированном для отслеживания движения меченых гистонов в хроматине и из него. Используя эту систему, они сравнили глобальное ацетилирование и метилирование гистонов во всех 6000 генах у мутантов Set2 и нормальных дрожжей.

Сначала они наблюдали, что в нормальных клетках ингибирующая метильная метка, установленная Set2, охватывала траекторию экспрессируемых генов, и, как и ожидалось, эта метка отсутствовала у мутантов Set2. У этих мутантов большая часть генов показала взаимное увеличение ацетильной метки, что можно объяснить потерей способности Set2 рекрутировать фермент, удаляющий ацетильные группы.

Дальнейший анализ показал, что многие из этих ацетилированных гистонов на самом деле не оставались в хроматине, а были «импортированы» из внешних запасов или, как говорит Венкатеш, «предацетилированы». «Это важно, потому что означает, что вам не нужно привлекать ремоделирующий фермент для повторного ацетилирования гистонов», — говорит он.

Эти исследования также показывают, что Set2 играет более сложную роль в контроле экспрессии генов, чем предполагалось. «Метильная метка, которую Set2 ставит на гистоны, выполняет две функции, — объясняет Воркман. — Она не только рекрутирует деацетилирующий фермент, удаляющий ацетильные метки с гистонов, но эти новые данные предполагают, что она также предотвращает включение предацетилированных гистонов в ген».

Группа также связала эти химические модификации с аномальной экспрессией генов с помощью микрочипового анализа, который показал, что в отличие от нормальных дрожжей, мутанты Set2 производят различные укороченные «криптические» транскрипты РНК.

«Когда гены экспрессируются, вы не хотите перенаправлять систему на производство РНК, которые нельзя использовать, — говорит Венкатеш. — Когда клетки подвергаются тепловому или экологическому стрессу, они реагируют, производя короткие РНК, кодирующие белки, которые посылают сигнал стресса. Клеткам нужен Set2 в нормальных ситуациях, чтобы держать эти криптические сайты начала транскрипции "тихими"».

Воркман соглашается, отмечая, что укороченные цепи РНК могут потенциально мешать трансляции нормальных РНК в белок. «Тот факт, что они образуются, указывает на хромосомную нестабильность в области, охватывающей эти гены, — ситуацию, которая может привести к раку у людей, — говорит он. — Человеческий аналог белка Set2, SETD2, как сообщается, функционирует как супрессор опухолей, и его активность теряется при нескольких типах рака, включая карциному молочной железы и почек».

Осознание того, что обмен гистонами действительно происходит на большой части генов, также актуально для разрабатываемых методов лечения рака. «Белки, которые ацетилируют и деацетилируют гистоны, исследуются как мишени для противораковых препаратов, — говорит Венкатеш. — Поэтому очень важно знать, как ацетилированные гистоны доставляются к гену. Такие механистические исследования, как наше, дают такое понимание».