Использование нанопор для быстрого обнаружения эпигенетических изменений

Исследователи из Института физиологии Фрайбургского университета охарактеризовали химические изменения в белках, типичные для эпигенетических модификаций, с помощью нанопорового анализа. Результаты опубликованы в Journal of the American Chemical Society (JACS).

Метод: анализ с помощью нанопор

Нанопоры — белковые каналы диаметром в несколько нанометров, встроенные в биомембрану. При подаче постоянного напряжения через пору течёт ионный ток. Когда молекула попадает в пору, она блокирует ток; степень блокировки зависит от размера и формы молекулы.

Объект исследования: гистон H4

Учёные исследовали гистоновый белок H4, мишень эпигенетических модификаций. В частности, изучали участок на N-конце белка, содержащий несколько аминокислот лизина (K8, K12, K16). К этим лизинам могут присоединяться ацетильные или метильные группы. Тип модификации и её позиция имеют медицинское значение:

• Ацетилирование K16 важно для развития человека.
• Метилирование K12 играет роль в развитии некоторых опухолей простаты и лёгких.

Результаты экспериментов

• Нанопорный анализ чётко различил фрагменты H4 без ацетилирования и с одним, двумя или тремя ацетильными группами.
• Пор оказался чувствителен к месту ацетилирования: фрагменты, ацетилированные по K8, блокировали ток сильнее, чем ацетилированные по K12, а те — сильнее, чем ацетилированные по K16. Это верно несмотря на идентичную массу и общий объём фрагментов.
• Также легко различимы разные варианты двойного ацетилирования (K8+K12, K8+K16, K12+K16).
• Метилированные варианты также давали разную степень блокировки тока, хотя и менее выраженную, чем ацетилированные.

Вывод: Нанопорная аналитика позволяет различать молекулы не только по размеру, но и по форме. Молекулярно-динамическое моделирование (группа Алексея Аксиментьева, Университет Иллинойса) показало, что ключевую роль играет высоконеоднородное электрическое поле внутри поры.

Будущее и перспективы

Секвенирование ДНК с помощью нанопор уже коммерциализировано, но анализ белков только начинается. Сложность в том, что белки имеют неоднородный заряд, что мешает направленному движению через пору. Команда использовала пору с «молекулярной ловушкой», которая захватывает весь белковый фрагмент сразу.

Метод, вероятно, будет применим и к более длинным фрагментам H4 (14 аминокислот), которые сейчас анализируют с помощью тандемной масс-спектрометрии. Нанопоры могут сделать анализ проще, быстрее, дешевле и приблизить его к пациенту.

Дальнейшая разработка нанопорового анализа белков для медицинской диагностики — одна из центральных задач недавно одобренного кластера BMBF Cluster4Future nanodiagBW, который возглавляют Ян К. Берендс и профессор Феликс фон Штеттен (Общество Гана-Шиккарда).