Учёные раскрыли загадку метилирования ДНК
Все виды метят свою ДНК метильными группами. Это делается для регуляции экспрессии генов, отличия собственной ДНК от чужеродной или для маркировки старых цепей ДНК во время репликации. Метилирование осуществляют специальные ферменты — метилтрансферазы, которые создают определённые паттерны метильных групп, формируя эпигенетический слой поверх ДНК.
До сих пор учёным было сложно определить, какие ферменты отвечают за какие паттерны. Однако в новом исследовании, опубликованном в Nature Communications, учёные из Центра биологической устойчивости Ново Нордиск (DTU Biosustain) при Техническом университете Дании связали ферменты с конкретными паттернами метилирования у двух бактерий.
"Знание того, какой фермент что делает, открывает множество применений. С этим знанием можно сконструировать модельные организмы с искусственными метиломами, имитирующими паттерн метилирования того штамма, в который вы хотите ввести ДНК. Таким образом можно обеспечить 'выживание' введённой ДНК", — говорит специалист и первый автор статьи Торбьёрн Ольсхой Йенсен из DTU Biosustain.
Учёные часто сталкиваются с проблемами метилирования, пытаясь ввести чужеродную ДНК в организм-хозяин, например, бактерию или дрожжи. Однако введение чужеродной ДНК необходимо при создании производственных штаммов (клеточных фабрик), способных производить, например, лекарства, устойчивые биохимикаты и пищевые ингредиенты. Часто хозяину нужны гены (ДНК) других организмов для производства целевых соединений.
Но так же часто хозяин отвергает чужеродную ДНК и разрезает её на части, просто потому что паттерны метилирования выдают её чужеродность. Учёные, работающие с E. coli в качестве хозяина, обычно сталкиваются с меньшим количеством проблем при введении новой ДНК, поскольку E. coli хорошо изучена и довольно "послушна". Но переход на менее изученные организмы-хозяева может стать большой проблемой.
"Работая с другими бактериями, кроме E. coli, вам часто приходится действовать методом проб и ошибок в вопросах трансформации ДНК, но этого недостаточно. Нужны знания и инструменты. С этим методом у вас есть систематический и рациональный способ решения проблем", — говорит Торбьёрн Ольсхой Йенсен.
Цель и метод исследования
Целью было выяснить, какие ферменты отвечают за какие паттерны. Для этого исследователи сконструировали кольцевые молекулы ДНК (плазмиды), содержащие одну из метилтрансфераз и "кассеты" с множественными копиями определённых последовательностей ДНК (мотивов). Эти мотивы являются мишенями для метилтрансфераз. Связав их, метилтрансфераза, экспрессируемая плазмидой, метила ДНК специфическим образом, раскрывая паттерн метилирования фермента.
Это было проделано для всех метилтрансфераз. Затем все плазмиды (в пуле) были прочитаны с помощью метода секвенирования, предназначенного для выявления метильных групп. Это дало исследователям "библиотеку" соответствий "фермент-мотив".
Валидация и результаты
Для проверки метода учёные проанализировали геномы термоустойчивой бактерии M. thermoacetica и бактерии A. woodii. Оба организма-хозяина имеют большой потенциал для промышленного применения и существенно модифицированные геномы.
В общей сложности два организма содержат 23 гена метилтрансфераз, но демонстрируют модификации только на 12 различных ДНК-мотивах в своих геномах, что означает, что не все метилтрансферазы активны.
Команда оценила все 23 метилтрансферазы, выявляя активные на геномах. Для 11 из 12 мотивов им удалось связать активность с конкретным геном метилтрансферазы.
Перспективы
Используя этот метод, команда надеется сконструировать организмы-хозяева с однозначным "метиломом" — то есть организм будет содержать только желаемые метилтрансферазы, что облегчит введение чужеродной ДНК в немодельные организмы.
Это может быть полезно как при создании клеточных фабрик на основе новых или малоизученных хозяев, так и для понимания регуляции экспрессии генов и клеточной дифференцировки.