Нейроны обоняния используют неожиданные «твёрдые» кластеры для генетической точности

Новое исследование, опубликованное в Nature, раскрывает, как обонятельные сенсорные нейроны (OSNs) достигают исключительной точности в выборе генов для экспрессии.

Механизм оказался неожиданным: он включает твёрдообразные молекулярные конденсаты, сохраняющиеся в течение нескольких дней, что помогает решить давнюю загадку организации генома.

Исследование под руководством профессора Ставроса Ломвардаса из Колумбийского университета отвечает на один из самых интригующих вопросов биологии: как обонятельные сенсорные нейроны в носу умудряются экспрессировать только один ген обонятельного рецептора (OR) из примерно 1000 доступных вариантов?

Каждый нейрон должен специализироваться на обнаружении определённых молекул запаха, и этот точный процесс выбора известен как сингулярный выбор OR. Он необходим для нашего обоняния.

Парадокс укладки генома

Исследование затрагивает так называемый парадокс укладки генома. В клетках ДНК содержит как гены (которые производят белки), так и регуляторные элементы — энхансеры (которые контролируют включение или выключение генов).

Эти энхансеры образуют избирательные, стабильные контакты с последовательностями генов, расположенными за тысячи пар оснований, игнорируя при этом похожие последовательности поблизости. Это противоречит обычному пониманию молекулярных взаимодействий, при котором белки связывались бы с ближайшим доступным сайтом.

Предыдущая работа профессора Ломвардаса показала, что OSNs создают мультихромосомные хабы энхансеров — трёхмерные структуры, где регуляторные энхансеры с разных хромосом группируются вместе, чтобы активировать единственный ген OR. Однако биохимическая основа этого процесса оставалась неясной.

Неожиданное твёрдое поведение

Исследователи сосредоточились на изучении поведения двух транскрипционных факторов (LHX2, EBF1) и адаптерного белка (LDB1), которые вместе регулируют экспрессию генов OR.

Используя эксперименты по очистке белков и визуализацию живых клеток в культивируемых OSNs, команда изначально ожидала увидеть жидкообразные конденсаты, подобные другим системам биологического фазового разделения. Однако эксперименты показали нечто иное.

«Я всегда думал, что этот процесс будет управляться жидкими фазовыми переходами. Это было моё предвзятое мнение в начале проекта», — признался профессор Ломвардас. «Однако данные, начавшие появляться из наших экспериментов, говорили об обратном. Эти конденсаты вели себя не как жидкие капли, а скорее как твёрдые агрегаты».

Твёрдообразные нуклеопротеиновые конденсаты продемонстрировали замечательную стабильность. В отличие от типичных жидких капель, которые сливаются при контакте и допускают свободное движение молекул, эти структуры сохраняли свою форму и не проявляли обмена молекулами даже через 10 минут в экспериментах по восстановлению флуоресценции (отбеливанию). Результаты были настолько удивительными, что исследователи сначала подумали об экспериментальной ошибке.

Композитные мотивы

Чтобы понять механизм этого твёрдого фазового перехода, исследователи провели систематическую модификацию последовательностей. Они выявили, что определённые последовательности ДНК или композитные мотивы запускают образование твёрдых конденсатов. Точным паттерном для энхансеров было расположение сайтов связывания LHX2 и EBF1, разделённых ровно одной парой оснований.

«Мы знали из предыдущих экспериментов, что энхансеры генов обонятельных рецепторов имеют значительное обогащение мотивом ДНК, который мы назвали "композитным", потому что это комбинация двух разных мотивов ДНК, разделённых 1 основанием ДНК», — пояснил профессор Ломвардас.

Поэтому, заметив, что твёрдые конденсаты образуются только со специфическими энхансерами, исследователи сразу связали это с наличием композитных мотивов.

Эта специфичность последовательности обеспечивает гомофильные нуклеопротеиновые взаимодействия — механизм, при котором белковые комплексы, собранные на идентичных мотивах ДНК, предпочтительно связываются друг с другом, исключая комплексы, сформированные на других последовательностях.

Для дальнейшего понимания механизма исследователи изучили 3D-организацию генома, используя обонятельные ткани мышей. Они обнаружили, что энхансеры OR образуют «Греческие острова».

Эти «Греческие острова» представляют собой высокоспецифичные, сверхдальнодействующие взаимодействия между энхансерами на разных хромосомах, которые содержат композитные мотивы, исключая при этом близлежащие энхансеры, лишённые этих последовательностей.

Конденсаты продемонстрировали устойчивость к химическому растворению и сохраняли стабильность в течение нескольких дней, что объясняет, как нейроны могут устанавливать постоянные программы экспрессии генов.

За пределами обонятельных нейронов

Полученные данные позволяют предположить, что этот механизм может применяться не только в обонянии, но и в других типах клеток, требующих стабильных программ экспрессии генов, особенно в постмитотических нейронах.

«Мы начинаем осознавать, что геномные взаимодействия между последовательностями ДНК, удалёнными на мегабазы в хромосоме или между хромосомами, не уникальны для обонятельных сенсорных нейронов. Таким образом, для организации их сборки и обеспечения стабильности должны использоваться схожие биохимические принципы», — сказал профессор Ломвардас.

В дальнейшем команда планирует исследовать структурную основу этих твёрдых фазовых переходов и выявить другие биологические системы, использующие аналогичные принципы.