Идентифицирован молекулярный мотор, формирующий хромосомы
Исследователи из MIT и Института Пастера во Франции охарактеризовали молекулярный "мотор", который организует геном в отдельные "соседства", формируя петли ДНК.
В 2016 году команда под руководством Леонида Мирного предложила гипотезу, что молекулярные моторы преобразуют хромосомы из запутанного состояния в динамическую серию расширяющихся петель. Этот процесс, известный как экструзия петель, предположительно сближает регуляторные элементы с контролируемыми ими генами. Команда также предположила, что на ДНК существуют барьеры, ограничивающие экструзию. Таким образом, процесс делит хромосомы на отдельные регуляторные домены — топологически ассоциированные домены (TADs). В качестве кандидата на роль молекулярного мотора рассматривался кольцевой белковый комплекс когезин.
Теперь, в статье в журнале Nature, команда Мирного и Франсуа Шпица экспериментально доказала, что когезин действительно действует как мотор в процессе экструзии петель.
"Каждая из этих машин садится на ДНК и начинает экструдировать петли, но на ДНК есть границы, через которые эти моторы не могут пройти. В результате этой моторной активности геном организуется в множество динамических петель, которые не пересекают границы, и геном делится на серию "соседств"", — объясняет Мирный.
Исследователи также обнаружили, что другой механизм, не использующий когезин, отвечает за разделение активных и неактивных регионов ДНК в отдельные компартменты в ядре клетки.
Экспериментальное доказательство
Чтобы определить роль когезина, команда сначала удалила молекулу Nipbl, ответственную за загрузку когезина на ДНК. Затем они использовали метод Hi-C, который позволяет фиксировать и секвенировать участки ДНК, близкие друг к другу в трёхмерном пространстве, для измерения частоты физических взаимодействий вдоль хромосом.
Измерения до и после удаления Nipbl у мышей показали, что TAD-домены (соседства) практически исчезли. При этом разделение на активные и неактивные компартменты стало ещё более выраженным.
Механизм и границы
Учёные полагают, что моторы когезина позволяют каждому гену "доставать" свои регуляторные элементы. Оказалось, что движение этих моторов останавливается белком CTCF, который обозначает границы каждого "соседства". Недавнее исследование в журнале Cell показало, что удаление CTCF стирает границы между доменами. Это позволяет генам из одного домена взаимодействовать с регуляторными элементами из другого, что приводит к нарушению регуляции генов.
"Когезин централен для регуляции генов, и мы подчёркиваем, что это моторная функция. Это не просто случайная встреча в пространстве, их сводит вместе именно эта моторная активность", — говорит Мирный.
Два одновременных процесса
Сейчас исследователи пытаются понять, как отсутствие молекулярного мотора влияет на регуляцию генов. Они также проводят компьютерное моделирование, чтобы выяснить, как экструзия петель на основе когезина происходит одновременно с независимым процессом сегрегации генома на активные и неактивные компартменты.
"Это как два пианиста, играющих на одном рояле. Они мешают и ограничивают друг друга, но вместе могут создать прекрасную музыку", — говорит аспирант Незар Абденнур, участвовавший в исследовании.