Контроль экспрессии генов: Занятость гистонов в геноме

Геном одной человеческой клетки, если его растянуть, может достигать шести футов в длину. Чтобы упаковать его в крошечное ядро, нить ДНК плотно наматывается вокруг сердцевины из гистоновых белков в повторяющихся единицах — нуклеосомах. Чтобы обеспечить доступ для аппарата экспрессии генов, нуклеосомы должны раскрываться, а по завершении процесса — восстанавливаться.

В выпуске Genes & Development от 1 мая 2012 года исследователи из Института медицинских исследований Стоуэрс показали, как сбой в восстановлении порядка имеет долгосрочные последствия. В процессе экспрессии генов фактор под названием Chd1 способствует повторной сборке нуклеосом на цепи ДНК. Без него дрожжевые клетки не могут присоединить химическую метку, называемую убиквитином, к одному из четырёх типов гистоновых белков (H2B), что, в свою очередь, затрудняет восстановление нуклеосом во всём геноме дрожжей. В клетках млекопитающих этот важный этап может нарушаться при таких заболеваниях, как рак.

«Мы использовали дрожжи Saccharomyces cerevisiae в качестве модельной системы для изучения моноубиквитинирования гистонов и обнаружили, что механизм консервативен в человеческих клетках», — говорит руководитель исследования Али Шилатифард. Важность этого восходит к исследованиям, начатым десять лет назад на гене MLL, который участвует в развитии агрессивного типа лейкемии у младенцев.

Ранее, анализируя дрожжевую версию MLL, группа Шилатифарда обнаружила, что он ферментативно модифицирует гистон H3, добавляя к нему биохимическую метку — метильную группу. Гены, занятые нуклеосомами, содержащими метилированный H3, обычно включены. Позже лаборатория подтвердила, что та же гистон-метилтрансферазная активность эволюционно консервативна от дрожжей до человеческих клеток.

Текущее исследование основано на концепции «перекрёстного взаимодействия гистонов». Она предполагает, что гистоны внутри нуклеосомы (особенно H3 и H2B) ведут сложный биохимический «диалог» посредством своих химических модификаций. Например, предыдущие работы намекали, что моноубиквитинирование одного гистона (H2B) предшествует метилированию другого (H3). В этой работе команда задалась вопросом, является ли единственной функцией убиквитинирования H2B регуляция метилирования H3.

Джун Шин Ли, первый автор исследования, и Александр Гарретт обнаружили неожиданное: хотя у дрожжей с мутантным Chd1 наблюдалась потеря убиквитинирования H2B, метилирование H3 практически не страдало. «Это говорило нам, что у убиквитинирования H2B есть и другие функции, помимо метилирования H3», — говорит Ли.

Чтобы выявить эти функции, исследователи применили метод картирования нуклеосомной занятости, который позволяет с точностью до одного основания ДНК определить место на цепи, где находится комплекс гистоновых белков, — сразу во всех ~5700 генах дрожжей.

В сотрудничестве с лабораторией Фрэнка Пью группа Шилатифарда сравнила картину образования нуклеосом в геноме нормальных и мутантных по Chd1 дрожжей. У мутантов наблюдалось снижение занятости нуклеосомами, особенно в длинных генах, что указывало на трудности с воссозданием правильного нуклеосомного массива после экспрессии генов.

«Чтобы синтезировать РНК из ДНК, нормальная структура хромосомы должна быть ослаблена, чтобы дать путь РНК-полимеразам. После этого ДНК должна быть повторно сконденсирована путём повторной сборки нуклеосом», — объясняет Гарретт. Именно эта активность, а не метилирование H3, в первую очередь нарушается, когда белок Chd1 не функционирует.

Наконец, учёные экспериментально подавили экспрессию человеческого аналога Chd1 в культивируемых человеческих клетках и наблюдали нарушение моноубиквитинирования человеческого H2B, как и у дрожжей.

«Эти эксперименты показывают, что функция Chd1, которую мы видим у одноклеточных дрожжей, консервативна у людей», — говорит Шилатифард. «По сути, мы можем использовать дрожжи как пробирку, чтобы понять функцию этих белков в нас. Учитывая, что моноубиквитинирование гистонов связано с процессами, которые могут привести к развитию рака у человека, молекулярная информация, полученная на дрожжах, незаменима для лучшего понимания роли этих факторов в развитии человека и патогенезе заболеваний».