Исследования на плодовых мушках раскрывают механизм, нарушенный при раке у человека
Изменения во взаимодействии ДНК с гистонами — белками, упаковывающими ДНК — регулируют многие фундаментальные процессы: от созревания стволовых клеток в специализированные до превращения клеток крови в лейкемические. Это взаимодействие — результат биохимического «перетягивания каната» между репрессорами и активаторами, которые химически модифицируют гистоны, заставляя их сильнее связываться с ДНК или освобождать путь для экспрессии гена.
В онлайн-выпуске журнала Genes & Development от 19 ноября 2012 года исследователи из Института медицинских исследований Стоуэрс сообщают о результатах, которые могут раскрыть роль двух человеческих генов — MLL3 и MLL4 — часто мутирующих при некоторых видах рака. Это исследование также показывает, как анализ модельных организмов, таких как дрожжи и плодовые мушки, помогает понять молекулярную биологию человека.
«Мы знаем, что фундаментальные регуляторные механизмы высоко консервативны от дрожжей до Drosophila и человека», — говорит старший автор исследования Али Шилатифард, Ph.D. — «Мы используем мощную генетику и биохимию дрожжей и Drosophila, чтобы определить молекулярные свойства этих важнейших факторов, а затем проверяем их функцию в человеческих клетках. В этом исследовании эти гены оказались часто мутировавшими при нескольких разных типах рака».
Более десяти лет назад лаборатория Шилатифарда идентифицировала белковый комплекс Set1/COMPASS, который биохимически модифицирует Гистон 3 (H3), добавляя метильные группы в очень специфичное положение на гистоне — а именно на лизин 4 (K4) — в хромосомах. H3K4 может быть моно-, ди- или триметилирован Set1/COMPASS. Триметилирование H3K4 этим комплексом стало признаком активно транскрибируемых генов от дрожжей до человека. Монометилирование H3K4, по-видимому, специфично для энхансеров — элементов ДНК, регулирующих экспрессию генов тканеспецифичным образом.
«После открытия дрожжевого COMPASS мы обнаружили тот же механизм в человеческих клетках», — говорит Шилатифард. — «Но вместо одного метилазы COMPASS, в человеческих клетках их шесть. Вопрос в том, зачем шесть?» Однако было неясно, какой член семейства COMPASS функционирует как монометилаза на энхансерах.
Первая подсказка появилась в исследовании Шилатифарда 2011 года в Molecular and Cellular Biology, где сообщалось, что клетки плодовой мушки Drosophila содержат три члена семейства COMPASS. В новой работе группа под руководством постдока Ханса-Мартина Херца, Ph.D., выявила истинную «монометилазу» мухи, блокируя экспрессию компонентов каждого из трёх кандидатов и визуализируя ткани Drosophila для оценки метилирования H3K4. Подавление родственного COMPASS комплекса под названием Trr (Trithorax-related) вызывало снижение монометилирования H3K4 по всему геному, тогда как отключение двух других кандидатов — нет.
Для дальнейшего подтверждения Херц сотрудничал с биоинформатиком Александром Гарруссом, чтобы выяснить, где Trr располагается в геноме мухи. Они обнаружили, что он ассоциирован с областями ДНК, называемыми энхансерами — зонами активации, часто фланкирующими целевой ген. Энхансеры необходимы для включения генов. Шилатифард сравнивает этот процесс с тем, как пилот включает и выключает переключатели на панели управления, чтобы самолёт начал движение и набрал скорость для взлёта. «Мы обнаружили, что Trr должен переместиться на энхансер, чтобы тот стал активным», — говорит Херц. — «Это предполагает, что присутствие Trr управляет переходом от неактивных к активным энхансерам».
Два млекопитающих COMPASS-подобных комплекса, структурно напоминающих Trr, включают белки MLL3 и MLL4. Сосредоточившись на MLL3, группа культивировала эмбриональные клетки мыши без гена MLL3 и провела глобальный анализ метилирования гистонов. Они обнаружили, что монометилирование H3K4 было снижено в областях энхансеров.
«MLL3 и MLL4 мутированы при множестве видов рака», — говорит Шилатифард. — «Исследователи обнаружили, что многие лимфомы имеют мутации в MLL3 и MLL4».
Херц соглашается, отмечая, что мутации в MLL3 и MLL4 наблюдаются при колоректальном раке, медуллобластоме, опухолях молочной железы и лейкемии у человека. «Это говорит о том, что активация и деактивация энхансеров может играть важную роль в патогенезе рака», — говорит он. — «Понимание того, какие белки выполняют эту функцию или как они контролируют активность энхансеров, может помочь нам понять, как гены, подавляющие опухолевые супрессоры, деактивируются при различных раках».