Инструменты для расшифровки «гистонового кода» могут быть ненадежными

Функция гистонов — белков, позволяющих упаковывать длинные нити ДНК в одну клетку — зависит от множества химических меток на их поверхности. Эта сложная химическая система упаковки ДНК в плотные структуры или ее раскручивания, названная «гистоновым кодом», является ключевой областью исследований для ученых, стремящихся понять, как генетика кодирует жизнь.

Однако недавнее исследование Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл выявило ряд проблем с гистоновыми антителами — основными инструментами для расшифровки этого кода, — что указывает на необходимость их более строгой проверки.

«Когда я представлял наши результаты на крупных конференциях, реакция коллег была единодушной — шок и изумление», — сказал старший автор исследования Брайан Штраль, PhD, доцент кафедры биохимии и биофизики UNC.

«Сотни и сотни исследователей по всему миру используют их и считают точными. Однако мы обнаружили, что с ними нужно обращаться с осторожностью». Штраль является членом Комплексного онкологического центра UNC Lineberger.

Результаты исследования, опубликованные онлайн 16 декабря 2010 года в журнале Current Biology, также показали, что белки, «читающие» гистоновые инструкции, зависят не только от конкретной химической метки, на которую они нацелены, но и от соседних меток.

«Гистоновый код» был впервые предложен почти десять лет назад Штралем и исследователем в области эпигенетики К. Дэвидом Эллисом, который в то время был его научным руководителем. В обзорной статье, опубликованной в журнале Nature и процитированной с тех пор более 3000 раз, Штраль и Эллис предложили модель того, как гистоны и их посттрансляционные модификации могут функционировать в хроматине.

Гистоны — это белковые «катушки», вокруг которых обернуты нити ДНК, образуя структуру под названием хроматин. В зависимости от модификаций или меток на гистонах, ДНК либо плотно закрыта внутри этой структуры, либо открыта для считывания генов.

Штраль и Эллис предположили, что различные комбинации гистоновых модификаций работают вместе, образуя код, подобно классическому генетическому коду, где определенные комбинации нуклеотидов кодируют аминокислоту. Эти гистоновые модификации — химические изменения, такие как фосфорилирование, ацетилирование и метилирование, — создают язык, который интерпретируется через способность рекрутировать белки, модулирующие хроматин.

«Но этот гистоновый код гораздо сложнее, потому что существует более 100 различных гистоновых модификаций, и они работают в трехмерном пространстве, которое очень трудно визуализировать», — сказал Штраль. «Мы не можем сказать, что эта метка или эта комбинация модификаций всегда будет означать определенную вещь. Но я думаю, мы можем сказать, что множественные модификации могут помочь сместить баланс одного состояния хроматина в другое, делая лежащую в основе ДНК более или менее доступной для белковых машин».

Чтобы выяснить, какими могут быть некоторые из этих кодов, исследователи начали создавать фрагменты гистоновых белков, каждый из которых содержал различные комбинации модификаций. Используя совершенно новый подход, Штраль и его коллеги нанесли эти модифицированные фрагменты (пептиды) на стеклянные слайды, создав пептидные микрочипы, аналогичные ДНК-микрочипам.

Когда они протестировали широко используемые коммерческие антитела, направленные против специфических модификаций на гистонах (например, метилизина или метиларгинина), оказалось, что антитела не всегда распознают нужный сайт, иногда даже связываясь с нецелевыми мишенями лучше, чем с предполагаемой.

Эти результаты хорошо согласуются с недавним исследованием, опубликованным в Nature Structural Biology Джейсоном Лиебом, PhD, профессором биологии UNC и членом центра Lineberger. Лиеб, используя более традиционные методы, такие как иммунофлуоресценция, ChIP и вестерн-блоттинг, показал, что многие коммерческие антитела работают не так, как должны.

Дополнительным открытием исследования Штраля и коллег стало то, что на антитела, а также на белки, естественным образом связывающиеся с хроматином, сильно влияли соседние модификации.

«Этот результат дает дополнительную поддержку идее гистонового кода, поскольку способность белка связываться с гистонами может зависеть от конкретного ландшафта модификаций, а не только от одной отдельной модификации», — сказал Штраль. «Наличие сайта ацетилирования поблизости может повлиять на связывание белка с его целевым сайтом фосфорилирования. Таким образом, все эти модификации создают ландшафт, который жизненно важен для того, как белки «читают» гистоновый код».