Узлы жизни: паттерны суперспирализации ДНК
Ученые из Национального центра биологических наук (NCBS, Бангалор) и Национальных институтов здравоохранения (NIH, США) выявили общегеномные паттерны сложных структур, которые образует ДНК бактерий в различных условиях окружающей среды. Эти сложные структуры ДНК могут играть важную роль в регуляции экспрессии генов.
Классическая двойная спираль — это крайне ограниченное представление о физической «форме» ДНК. Молекула, хранящая коды жизни, способна дополнительно скручиваться в мириады сложных форм, называемых «суперспиралями», которые могут влиять на паттерны экспрессии генов.
ДНК упаковывается в сложные структуры, чтобы вместить длинные цепочки информации в микроскопические клетки. Но эту «упакованную» ДНК необходимо периодически «распаковывать» для экспрессии генов и репликации. Когда ген экспрессируется, ДНК раскручивается из двойной спирали — процесс, который вызывает дальнейшее скручивание и «перекручивание» в других участках генома. Таким образом, генетический материал клетки постоянно находится в состоянии структурного флюкса — витки, супервитки, изгибы формируются, теряются и формируются снова в зависимости от состояния активности клетки.
Бактериальная клетка может сталкиваться с различными изменениями окружающей среды, включая голод, недостаток кислорода и неблагоприятные температуры. Чтобы выжить, бактерии необходимо изменить свой белковый репертуар, изменив соответствующие профили генетической экспрессии. Ученые давно предполагали, что эти изменения могут осуществляться через вариации в суперспиральной структуре ДНК. Например, известно, что геномы активно делящихся клеток в условиях богатой питательными веществами среды менее скручены, чем геномы клеток в стационарной фазе, когда питательных веществ мало. Другими словами, суперспирализация, вероятно, чувствительна к изменениям окружающей среды.
Исследователи из группы Асвина С. Н. Сешасайи в NCBS и команды профессора Санкара Адхьи в NIH применили современные методы для изучения суперспирализации ДНК у бактерий в мелком масштабе. Используя химическое вещество триметилпсорален, облучение УФ-светом и микрочиповую технологию, команда получила информацию о вариациях суперспирализации в конкретных участках генома у бактерий, подвергнутых различным внешним условиям.
«Мы впервые измерили суперспирализацию ДНК в бактериях с высоким разрешением. Это исследование доказывает, что суперспирализация генома не является однородной и локально варьируется между генами. Оно также предоставляет доказательства в поддержку гипотезы о том, что бактериальные клетки могут регулировать экспрессию генов и свою собственную физиологию, изменяя структуру своих геномов», — говорит Авантика Лал, первый автор публикации в журнале Nature Communications.
Для изучения влияния внешних стимулов на статус суперспирализации бактериального генома использовали две популяции E. coli, моделирующие два разных внешних условия. Одна моделировала богатую питательными веществами ситуацию с активно делящимися клетками, другая — состояние, когда популяция исчерпала питательные вещества и находилась в «стационарной» фазе. Поскольку связывание триметилпсоралена с ДНК пропорционально степени суперспирализации ДНК, можно было изучить общегеномные паттерны скрученности в этих двух условиях.
Результаты показали, что клетки E. coli в «стационарной» фазе демонстрируют градиент суперспирализации по всему их кольцевому геному. В активно делящихся клетках этот градиент отсутствовал, хотя весь геном был более суперспирализован, чем геномы клеток из «стационарной» фазы.
«Пока это только первые шаги, но эта работа прокладывает путь к пониманию того, экспрессия каких генов зависит от окружающей среды. Она потенциально может научить нас тому, как мы могли бы контролировать физиологию клетки, изменяя генетическую экспрессию через изменения в суперспирализации ДНК путем изменения внешних условий», — добавляет Авантика Лал.