Как клетки в развивающихся эмбрионах меняют способ использования энхансеров для регуляции генов
Клетки нервной, мышечной или кожной ткани под микроскопом выглядят совершенно по-разному. Однако каждая клетка тела имеет одну и ту же ДНК и происходит от общего предка — оплодотворённой яйцеклетки. Наблюдаемое разнообразие возникает в результате дифференцировки — процесса развития, в ходе которого клетки созревают до своих конечных функциональных форм.
Новое исследование группы Фарлонг в EMBL Heidelberg выявило сдвиг в том, как гены регулируются контрольными областями ДНК, называемыми энхансерами, в процессе дифференцировки — когда клетки переходят от заданных стадий-предшественников (например, миобластов) к более зрелым, функциональным формам (например, мышечным клеткам). Исследование недавно опубликовано в Nature Genetics.
Группа Фарлонг изучает фундаментальные принципы регуляции генома во время эмбрионального развития. Одна из основных областей их внимания — энхансеры. Эти контрольные области ДНК регулируют экспрессию генов, часто находясь на большом расстоянии от контролируемых генов. Энхансеры подобны выключателям света, которые могут «включать» или «выключать» гены издалека.
«Когда-то считавшиеся частью «мусорной» некодирующей ДНК, составляющей около 97% нашего генома, энхансеры теперь понимаются как критические для клеточной функции и развития. Однако спустя более 40 лет после их открытия мы всё ещё многого не понимаем в том, как они функционируют», — сказала Айлин Фарлонг, руководитель группы и глава подразделения биологии генома в EMBL Heidelberg.
Считается, что энхансеры передают информацию регулируемым генам в рамках больших ДНК-петель или хабов. Это позволяет им физически взаимодействовать с «промоторами» — регуляторными областями ДНК в начале генов. В одном из крупнейших исследований такого рода группа Фарлонг недавно изучила почти 600 энхансеров и промоторов в развивающихся нервных и мышечных клетках эмбриона плодовой мушки, чтобы определить, как взаимодействия энхансер-промотор связаны с моментом регуляции экспрессии генов.
Предыдущие исследования показали два различных режима регуляции. В одних случаях взаимодействия энхансер-промотор происходили только тогда, когда ген экспрессировался, то есть физическая близость напрямую влияла на экспрессию. Это известно как «инструктивный» режим регуляции. Но в других контекстах учёные наблюдали, что энхансеры начинают взаимодействовать с промотором гена за несколько часов до его экспрессии. Этот «пермиссивный» режим регуляции позволяет гену быть готовым к активации задолго до его включения.
«Было неясно, почему одна форма регуляции обнаруживается в одних контекстах, а другая — в других», — сказал Тим Поллекс, научный сотрудник EMBL и первый автор исследования. «Наше исследование напрямую решило эту загадку, и мы показываем, что оба типа регуляции сосуществуют во время эмбриогенеза. Стадия развития является ключом к определению того, какой режим регуляции является доминирующим».
В исследовании учёные изучили, когда сотни энхансеров взаимодействуют с промотором своего гена во время развития мышц и нейронов у эмбрионов плодовой мушки, особенно в моменты включения или выключения экспрессии генов.
Спецификация клеток: общий «пермиссивный» режим
Учёные сначала рассмотрели стадии спецификации клеток, когда эмбрион определяет, какие клетки образуют тот или иной тип. На этой стадии, когда клетки ещё не достигли зрелых, дифференцированных форм, исследователи обнаружили, что способ взаимодействия многих энхансеров или промоторов развития поразительно схож между будущей нервной клеткой и будущей мышечной клеткой (аналогично общей системе управления).
На этом этапе энхансеры и промоторы функционируют в этих «пермиссивных» средах, регулируя, какие гены включаются или выключаются. Учёные предполагают, что это может позволять паттернам экспрессии генов быстро меняться. Это также может помогать клеткам быть более гибкими и даже при необходимости менять свою судьбу.
Дифференцировка: переход к «инструктивному» режиму
Однако, когда эмбрион развивается дальше и эти клетки дифференцируются до своей конечной формы — более зрелой нервной или мышечной клетки, взаимодействия энхансер-промотор становятся более разнообразными, сложными и дальнодействующими. Они также возникают только тогда и там, где ген экспрессируется, будучи «инструктивными», а не «предварительно сформированными» (пермиссивными). Кроме того, в дифференцированных нейронах и мышцах взаимодействия энхансер-промотор становятся специфичными для нейрональных или мышечных генов (более сложные и тканеспецифичные системы управления).
«Дополнительное исследование лаборатории Евгения Квона в UC Irvine, изучившее взаимосвязь между активностью энхансер-промотор в дифференцированных тканях мыши, пришло к аналогичному выводу», — сказала Фарлонг.
«Они показывают, что в дифференцированных тканях взаимодействия энхансер-промотор различны между разными тканями и происходят во время экспрессии гена. Таким образом, такая инструктивная регуляция энхансер-промотор, по-видимому, является древней особенностью тканевой дифференцировки, обеспечивающей развитие тканей с различными функциями».