Решение парадокса специфичности Hox-белков

Белок Hox определяют разнообразие анатомических черт вдоль оси тела животных (например, различия между головой, грудью и брюшком). Однако почти сразу после открытия генов Hox учёные столкнулись с загадкой: как разные Hox-белки могут активировать специфичные гены, если все они связываются с одинаковыми последовательностями ДНК? Исследователи под руководством Дэвида Стерна из Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI) утверждают, что нашли решение этого парадокса.

Исследование, проведённое в сотрудничестве с Ричардом Манном из Колумбийского университета, показало, что Hox-белки запускают активность генов через слабые взаимодействия с ранее нераспознанными сайтами связывания в геноме, а не через хорошо изученные сайты с высоким сродством.

"Сайты, которые мы считали хорошими Hox-сайтами, не обеспечивают специфичность, определяющую различия вдоль передне-задней оси тела животного. Сайты с высоким сродством — это не те сайты, которые делают животных животными", — говорит Дэвид Стерн.

Результаты опубликованы в печатном выпуске журнала Cell от 15 января 2015 года.

Суть парадокса

Hox-гены кодируют транскрипционные факторы, которые формируют идентичность разных сегментов тела, связываясь с ДНК и включая нужные гены. У плодовых мушек Drosophila восемь разных Hox-генов, у человека — более 40. Парадокс заключается в том, что домены Hox-белков, связывающиеся с ДНК, имеют очень сходные аминокислотные последовательности, но при этом должны регулировать разные наборы генов.

Предыдущие попытки объяснить специфичность не увенчались успехом:

• In vitro эксперименты показывали, что Hox-белки связываются с одинаковыми последовательностями.
• Открытие в 2009 году кофактора, связывающегося с ДНК вместе с Hox-белком, добавило специфичности, но её всё равно было недостаточно для объяснения парадокса in vivo.

Ключевой эксперимент на гене shavenbaby

Исследователи сосредоточились на гене shavenbaby, который контролирует развитие специфичного узора коротких щетинок (трихом) на личинках дрозофилы. Его экспрессия полосами на определённых сегментах тела указывала на возможный контроль со стороны Hox-белков.

Постдок Джастин Крокер из лаборатории Стерна показал, что ген shavenbaby действительно контролируется Hox-белком Ubx:

• Без Ubx трихомы в его домене не образуются.
• Добавление Ubx в другие сегменты тела вызывает появление трихом в нетипичных местах.

Далее было обнаружено, что Ubx контролирует два конкретных энхансера (усилителя экспрессии) гена shavenbaby. Однако в последовательностях этих энхансеров не удалось найти классических сайтов связывания Hox.

Открытие кластеров низкоаффинных сайтов

Биохимические эксперименты лаборатории Манна выявили, что Ubx (в присутствии кофактора) связывается с энхансерами через множество слабых (низкоаффинных) сайтов связывания, собранных в кластеры.

"Эти последовательности вообще не были похожи на ранее известные сайты связывания Hox — ни одна из них", — отмечает Стерн.

Мутации в этих сайтах приводили к нарушению экспрессии shavenbaby и образования трихом. Одного сайта связывания Ubx было недостаточно для активации гена, но интактный кластер сайтов обеспечивал достаточное связывание для включения shavenbaby.

Выводы и значение исследования

1. Специфичность Hox-белков достигается за счёт связывания с кластерами низкоаффинных сайтов в геноме, а не с единичными сайтами высокого сродства.
2. Этот механизм, вероятно, широко распространён среди других транскрипционных факторов и выходит за рамки семейства Hox.
3. ​​Объясняется, почему биоинформатический анализ был малоэффективен для предсказания сайтов связывания Hox: "Они связываются не с теми сайтами, о которых все думали".
4. Кластеры сайтов обеспечивают устойчивость (робустность) работы энхансера. В оптимальных лабораторных условиях все сайты могут быть не нужны, но при стрессе (изменение температуры, снижение уровня Ubx) для поддержания нормальной активности гена требуется весь кластер. "В дикой природе мухам нужны все эти сайты", — заключает Стерн.