Исследователи из Университета Кюсю выявили, как пространственное расстояние между определенными областями ДНК связано со всплесками активности генов. Используя передовые методы визуализации клеток и компьютерное моделирование, исследователи показали, что сворачивание и движение ДНК, а также накопление определенных белков, изменяются в зависимости от того, активен или неактивен ген.
Исследование, опубликованное 6 декабря в журнале Science Advances , проливает свет на сложный мир экспрессии генов и может привести к появлению новых терапевтических методов лечения заболеваний, вызванных неправильной регуляцией экспрессии генов.
Экспрессия генов — это фундаментальный процесс, происходящий в клетках, с двумя основными фазами: транскрипция, где ДНК копируется в РНК, и трансляция, где РНК используется для производства белков. Для того чтобы каждая клетка выполняла свои специфические функции в организме или реагировала на изменяющиеся условия, нужное количество белка должно вырабатываться в нужное время, то есть гены должны аккуратно включаться и выключаться.
Раньше считалось, что транскрипция генов происходит в непрерывном, плавном процессе. Но с появлением более совершенных технологий для наблюдения за отдельными клетками ученые теперь знают, что транскрипция происходит короткими, непредсказуемыми всплесками.
«Ген будет случайным образом включаться на несколько минут, и будет производиться большое количество РНК. Затем ген внезапно снова выключится», — говорит профессор Хироши Очиаи из Медицинского института биорегуляции Университета Кюсю и старший автор исследования. «Это происходит почти со всеми генами и во всех живых существах, от растений до животных и бактерий».
Эта неустойчивая и динамическая природа транскрипции, известная как транскрипционный взрыв, является ключевым механизмом контроля активности генов в отдельных клетках. Это одна из причин, по которой клетки в пределах одной ткани или культуральной среды демонстрируют изменчивость в уровнях экспрессии генов , что имеет решающее значение для таких процессов, как раннее эмбриональное развитие и эволюция рака. Однако точные механизмы, лежащие в основе взрывов, остаются неизвестными.
В этом исследовании ученые решили изучить роль последовательностей ДНК, известных как энхансеры и промоторы, и то, как их пространственное расстояние влияет на транскрипционный взрыв. Промотор обычно располагается прямо рядом с геном, и это место, где белок , осуществляющий транскрипцию, прикрепляется к ДНК. Энхансеры, с другой стороны, часто находятся на расстоянии многих сотен тысяч оснований от гена, но по мере того, как нити ДНК перемещаются и сворачиваются, энхансеры все еще могут оказаться близко к генам в трехмерном пространстве, усиливая активность гена.
«Мы считаем, что энхансеры играют решающую роль в том, почему транскрипция происходит всплесками активности, но пока результаты исследования не дают ясного ответа», — говорит Очиаи.
Чтобы проверить эту идею, Очиаи и его команда использовали передовую технологию визуализации, называемую seq-DNA/RNA-IF-FISH, которая маркирует ДНК, РНК и определенные белки флуоресцентными зондами.
Эта трехслойная техника позволила исследователям одновременно зафиксировать расположение ДНК, РНК и определенных белков в трехмерном пространстве внутри отдельных эмбриональных стволовых клеток мыши. С помощью этой информации команда смогла определить, были ли определенные гены включены или выключены, увидеть, как промоторы и энхансеры взаимодействовали во время всплесков активности, и где накапливались белки, на беспрецедентном уровне детализации.
В качестве примера исследователи сосредоточились на гене Nanog, представляющем собой участок ДНК длиной 770 000 оснований на хромосоме 6, имеющий промотор и три энхансерных области и, как известно, подвергающийся транскрипционному взрыву в культивируемых эмбриональных стволовых клетках мышей.
Исследователи обнаружили, что в визуализированных клетках, где присутствовала РНК Nanog (то есть ген был активен), наиболее удаленный энхансер располагался в непосредственной пространственной близости к гену Nanog. Напротив, когда Nanog был неактивен, визуализация показывала, что тот же регион энхансера находился физически дальше.
Кроме того, ученые обнаружили, что белки, участвующие в регуляции транскрипции, также накапливаются в области вокруг энхансеров и промоторов, когда Nanog активен.
Чтобы лучше понять механизм, Очиаи и его команда использовали компьютерное моделирование для имитации того, как различные части ДНК взаимодействуют и перемещаются внутри клетки, как когда ген Nanog активен, так и когда неактивен.
Они разработали свою модель, используя данные из своих экспериментов по визуализации, чтобы создать «карту» того, как часто различные области ДНК взаимодействуют друг с другом и как ДНК сворачивается в пространстве. Используя эту карту, модель затем смоделировала, как цепочка ДНК может двигаться случайным образом.
Модель предсказала, что в активном состоянии каждая область энхансера взаимодействовала с промоторами более чем в два раза дольше, чем когда ген был неактивен.
Модель показала, что эти более длительные периоды взаимодействия возникали из-за «трения» вокруг ДНК. Из-за накопления белков и РНК, когда Nanog был активен, жидкость становилась более вязкой и заставляла смоделированную цепь ДНК двигаться медленно. Поэтому ген мог оставаться активным в течение более длительных периодов времени. Напротив, смоделированная ДНК двигалась быстрее, когда Nanog был неактивен, что означало, что у промоутера и энхансеров не было времени для взаимодействия.
«Моделирование предполагает, что взрыв стабилизируется благодаря этим усиливающим петлям», — заключает Очиаи. «Конечно, это всего лишь моделирование. Следующий шаг — доказать, что этот механизм также работает в клетках».
