Компьютерное моделирование показало, что сближение удалённых участков ДНК вызывает всплески активности генов

Исследователи из Университета Кюсю выяснили, как пространственное расстояние между определёнными участками ДНК связано со всплесками активности генов. Используя передовые методы визуализации клеток и компьютерное моделирование, учёные показали, что укладка и движение ДНК, а также накопление определённых белков меняются в зависимости от того, активен ген или нет.

Исследование, опубликованное 6 декабря в Science Advances, проливает свет на сложный мир экспрессии генов и может привести к новым терапевтическим подходам для болезней, вызванных её нарушением.

Ранее считалось, что транскрипция генов — процесс непрерывный. Однако современные технологии наблюдения за отдельными клетками показали, что транскрипция происходит короткими, непредсказуемыми всплесками.

«Ген случайным образом включается на несколько минут, и производится большое количество РНК. Затем ген внезапно снова выключается», — объясняет профессор Хироси Отияй, старший автор исследования. Это явление, известное как транскрипционный бустинг, — ключевой механизм контроля активности генов в отдельных клетках.

В этом исследовании учёные решили изучить роль последовательностей ДНК, известных как энхансеры и промоторы, и то, как расстояние между ними влияет на всплески транскрипции. Промотор расположен рядом с геном, а энхансеры могут находиться за сотни тысяч пар оснований от него, но благодаря движению и укладке ДНК в 3D-пространстве они могут сближаться, усиливая активность гена.

Для проверки гипотезы команда использовала передовой метод визуализации seq-DNA/RNA-IF-FISH, который маркирует ДНК, РНК и специфические белки флуоресцентными зондами. Это позволило одновременно отслеживать их местоположение в 3D-пространстве внутри отдельных клеток эмбриональных стволовых клеток мыши.

В качестве примера исследователи сосредоточились на гене Nanog длиной 770 000 пар оснований на хромосоме 6, который имеет промотор и три энхансерных региона.

Результаты визуализации:

• В клетках, где присутствовала РНК Nanog (ген активен), самый удалённый энхансер находился в непосредственной пространственной близости от гена.
• Когда Nanog был неактивен, тот же энхансерный регион был физически дальше.
• Белки, регулирующие транскрипцию, накапливались в области энхансеров и промоторов при активности Nanog.

Для понимания механизма команда использовала компьютерное моделирование, чтобы смоделировать взаимодействие и движение различных частей ДНК внутри клетки в активном и неактивном состоянии гена.

Выводы моделирования:

• Модель предсказала, что в активном состоянии каждый энхансерный регион взаимодействовал с промоторами более чем в два раза дольше по сравнению с неактивным состоянием.
• Эти более длительные периоды взаимодействия происходили из-за «трения» вокруг ДНК. Накопление белков и РНК в активном состоянии делало внутриклеточную среду более вязкой, что замедляло движение моделируемой нити ДНК. В результате ген мог оставаться активным дольше.
• В неактивном состоянии смоделированная ДНК двигалась быстрее, и у промоторов и энхансеров не было времени для взаимодействия.

«Моделирование предполагает, что всплески активности стабилизируются благодаря этим усиливающим петлям обратной связи», — заключает Отияй. Следующим шагом станет доказательство работы этого механизма в живых клетках.