Исследование молекулярных границ в ДНК
Геномная ДНК длиной в несколько метров должна уместиться в ядре клетки диаметром всего около 5 микрометров. Сложная укладка ДНК позволяет упорядоченно взаимодействовать генам и энхансерам (усилителям их активности). Чтобы эта динамичная 3D-структура не привела к активации не тех генов, в геноме существуют молекулярные границы, которые наводят порядок. Их изменения могут вызывать врожденные дефекты или рак.
Исследовательская группа под руководством доктора Дарьо Лупианьеса из Берлинского института биологии медицинских систем (BIMSB) в Центре молекулярной медицины им. Макса Дельбрюка (MDC) обнаружила новые детали о работе этих барьеров. Результаты опубликованы в Nature Genetics.
Как устроены границы
Геном разделен на крупные функциональные районы — топологически ассоциированные домены (TAD). Энхансеры и активируемые ими гены обычно находятся в одном TAD. Границы между TAD функционируют как молекулярные барьеры, обеспечивая правильную экспрессию генов. Если границы нарушаются, энхансеры могут активировать не тот ген.
Известно, что изолирующие свойства границ TAD основаны на связывании белка CTCF. Эти участки ДНК содержат множество сайтов связывания CTCF. Команда исследовала прототипическую границу TAD, содержащую шесть таких сайтов, на модели мышей, где эти сайты можно было изменять.
Не все сайты одинаковы
Исследование показало, что хотя в граничной области есть несколько сайтов связывания CTCF, они не одинаковы. Некоторые сайты лучше изолируют TAD, чем другие. Граница всего с двумя сайтами CTCF может обеспечивать лучшую изоляцию, чем граница с четырьмя — в зависимости от индивидуальных свойств каждого сайта. Также выяснилось, что сайты CTCF в определенной степени работают совместно и могут компенсировать отсутствие других.
Изоляция — не абсолютное свойство
«Раньше предполагалось, что границы достаточно, чтобы предотвратить коммуникацию между энхансерами и генами в разных TAD, — говорит Лупианьес. — Но наши результаты показывают, что изоляцию не следует рассматривать как абсолютное свойство границ TAD».
Когда сила границы TAD меняется (например, из-за уменьшения количества доступных сайтов CTCF или их перестройки), это может влиять на степень активации генов энхансерами из соседнего TAD. Количественные изменения в экспрессии генов коррелировали с выраженностью фенотипов конечностей в экспериментах.
Изменения на границах TAD ранее наблюдались у пациентов с генетическими дефектами конечностей или синдромом ломкой X-хромосомы. Границы в раковых клетках также часто изменены и вызывают необычную экспрессию генов. Открытия команды могут помочь в разработке новых стратегий для коррекции ошибочной экспрессии генов при таких заболеваниях.