Новое картирование участков связывания белков в дрожжах углубляет понимание регуляции генов

Масштабная работа по точному картированию участков связывания более 400 различных видов белков с геномом дрожжей позволила создать самую полную и высокоразрешающую карту архитектуры хромосом и регуляции генов на сегодняшний день. Исследование выявило две различные архитектуры регуляции генов, расширяя традиционную модель. Так называемые конститутивные гены, выполняющие базовые «домашние» функции и почти всегда активные на низком уровне, требуют лишь базового набора регуляторных элементов. В то время как гены, активируемые сигналами окружающей среды (индуцибельные гены), имеют более специализированную архитектуру. Это открытие на дрожжах может проложить путь к лучшему пониманию регуляторной архитектуры генома человека.

Статья с описанием исследования учёных из Университета штата Пенсильвания и Корнеллского университета опубликована 10 марта 2021 года в журнале Nature.

Регуляторная архитектура генома

«Как клетка выбирает нужную книгу, зависит от регуляторных белков и их взаимодействия с ДНК в хроматине — это можно назвать регуляторной архитектурой генома», — объяснил Б. Франклин Пью, профессор молекулярной биологии и генетики в Корнеллском университете. Белки должны рекрутироваться и собираться у генов, чтобы их можно было «включить». Команда создала самую полную и высокоразрешающую карту этих белков, показывающую их участки связывания с геномом дрожжей и раскрывающую аспекты их взаимодействия для регуляции экспрессии генов.

Методология: ChIP-exo

Команда использовала метод ChIP-exo — высокоразрешающую версию ChIP-seq — для точного и воспроизводимого картирования участков связывания около 400 различных белков. В ChIP-exo белки химически сшиваются с ДНК внутри живых клеток, фиксируя их положение. Затем хромосомы извлекаются и фрагментируются. С помощью антител захватываются специфические белки и фрагмент ДНК, с которым они связаны. Место взаимодействия определяется путём секвенирования присоединённой ДНК и её картирования на геном.

«В традиционном ChIP-seq фрагменты ДНК всё ещё довольно велики и имеют переменную длину — от 100 до 500 пар оснований за пределами фактического сайта связывания белка», — сказал Уильям К.М. Лай, доцент-исследователь в Корнеллском университете. «В ChIP-exo мы добавляем дополнительный шаг — подрезание ДНК ферментом экзонуклеазой. Это удаляет избыточную ДНК, не защищённую сшитым белком, позволяя получить гораздо более точное местоположение события связывания и лучше визуализировать взаимодействия между белками».

Анализ данных и результаты

Команда провела более 1200 индивидуальных экспериментов ChIP-exo, получив миллиарды точек данных. Анализ этих массивных данных с использованием суперкомпьютерных кластеров и разработка новых биоинформатических инструментов позволили выявить удивительно небольшое количество уникальных белковых ансамблей, которые используются многократно по всему геному дрожжей.

«Разрешение и полнота данных позволили нам идентифицировать 21 белковый ансамбль, а также выявить отсутствие специфических регуляторных контрольных сигналов у генов «домашнего хозяйства», — сказал Шон Махони, доцент биохимии и молекулярной биологии в Университете штата Пенсильвания.

Две архитектуры регуляции

Исследователи обнаружили, что большинство генов в дрожжах не соответствуют традиционной модели регуляции, где факторы транскрипции связываются со специфическими последовательностями ДНК для контроля экспрессии близлежащего гена.

«Мы были удивлены, обнаружив, что у конститутивных генов отсутствует белково-ДНК архитектура, позволяющая связываться специфическим факторам транскрипции, что является отличительной чертой индуцибельных генов», — сказал Пью. «Эти гены, похоже, нуждаются лишь в общем наборе белков, обеспечивающих доступ к ДНК и её транскрипцию, без особой необходимости в регуляции».

Перспективы для изучения генома человека

Остаётся вопрос, сохранится ли эта закономерность в многоклеточных организмах, таких как человек. «Это несравненно более сложная задача, но подобно тому, как секвенирование генома дрожжей предшествовало секвенированию генома человека, я уверен, что в конечном итоге мы сможем увидеть регуляторную архитектуру генома человека с высоким разрешением», — заключил Пью.