Почему некоторые гены высоко экспрессированы

ДНК в наших клетках упакована в миллионы небольших структур, похожих на бусины на нитке, что позволяет двухметровому линейному геному поместиться в ядро диаметром всего около 0.01 мм. Однако эти молекулярные "бусины", называемые нуклеосомами, делают ДНК "нечитаемой". Их необходимо временно смещать, чтобы позволить генам копироваться ("транскрибироваться") в матрицы для синтеза белка. Как клетки обеспечивают доступ к промоторам — областям, где начинается транскрипция генов, — до сих пор плохо изучено.

Исследователи из Женевского университета (UNIGE) и Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL), Швейцария, изучают механизмы, контролирующие динамику нуклеосом, и их влияние на экспрессию генов. Они обнаружили, что все промоторы можно разделить на два типа, различающиеся по стабильности нуклеосом.

• Первый тип характеризуется наличием динамичных, нестабильных нуклеосом и встречается у высоко экспрессируемых генов, например, контролирующих рост и деление клетки.
• Второй тип содержит стабильные нуклеосомы и расположен у реже экспрессируемых генов.

Взаимодействие различных молекулярных факторов, участвующих в дестабилизации нуклеосом, описано в журнале Molecular Cell.

Гены, связанные с ростом, высоко экспрессированы

"Важно понимать, как нуклеосомы перемещаются, удаляются или меняют структуру, поскольку это влияет на доступность промоторной ДНК, что, в свою очередь, определяет экспрессию соответствующих генов", — объясняет Дэвид Шор, профессор факультета естественных наук UNIGE. Динамика формирования и позиционирования нуклеосом в промоторах может помочь понять, почему одни гены (например, участвующие в нормальном или злокачественном росте) высоко экспрессированы, а другие (например, индуцируемые стрессом) экспрессируются редко.

В сотрудничестве с исследователями из EPFL команда Дэвида Шора охарактеризовала нуклеосомы в каждом промоторе ДНК дрожжей — модельного организма, функционирующего во многом как клетка млекопитающих. Как и человеческие клетки, дрожжи обладают так называемыми "хрупкими" нуклеосомами. Их природа и функция оставались неясными.

Уникальный тип динамичных нуклеосом

"Мы показали существование двух типов промоторов, различающихся по наличию 'хрупких' нуклеосом", — говорит Славомир Кубик, первый автор исследования. Учёные также выяснили, что промоторы с "хрупкими" нуклеосомами сильно ассоциированы с высоким уровнем транскрипции. Они предполагают, что динамичная природа "хрупкой" нуклеосомы играет важную роль в облегчении доступа белков, инициирующих транскрипцию, к промотору.

"Геном, вероятно, большую часть времени находится в очень компактном состоянии, где нуклеосомы накручивают ДНК, как тугая пружина. Мы полагаем, что наличие динамичных нуклеосом у высоко экспрессируемых генов помогает быстро и так часто, как это необходимо, раскручивать эту пружину", — комментирует Дэвид Шор.

Поскольку многие гены с "хрупкими" нуклеосомами постоянно контролируются доступностью питательных веществ, модуляция стабильности промоторных нуклеосом может быть стратегией для координации транскрипции, связанной с ростом, на уровне всего генома.