Огромные усилия по составлению карт точных мест связывания более 400 различных видов белков в геноме дрожжей привели к созданию наиболее полной и высокоразвитой на сегодняшний день карты хромосомной архитектуры и генной регуляции. Исследование выявило две различные генные регуляторные архитектуры, расширяющие традиционную модель генной регуляции. Так называемые конститутивные гены, которые выполняют основные функции "домашнего хозяйства" и почти всегда активны на низких уровнях, требуют только базового набора регуляторных регуляторов; в то время как те, которые активируются сигналами окружающей среды, известными как индуцибельные гены, имеют более специализированную архитектуру. Это открытие в дрожжах может открыть дверь к лучшему пониманию регуляторной архитектуры человеческого генома.

Статья, описывающая исследования ученых из Пенсильванского университета и Корнельского университета, появляется 10 марта 2021 года в журнале Nature.

"Когда я впервые узнал о ДНК, меня научили думать о геноме как о библиотеке, содержащей все когда-либо написанные книги", - сказал Мэтью Дж.Росси, доцент-исследователь в Пенсильванском университете и первый автор статьи. - Геном хранится как часть комплекса ДНК, РНК и белков, называемого "хроматин". Взаимодействие белков и ДНК регулирует, когда и где экспрессируются гены для производства РНК (например, чтение книги, чтобы узнать или сделать что-то конкретное). Но что меня всегда удивляло, так это то, что со всей этой сложностью, как найти нужную книгу, когда она вам нужна? Именно на этот вопрос мы и пытаемся ответить в данном исследовании."

То, как клетка выбирает правильную книгу, зависит от регуляторных белков и их взаимодействия с ДНК в хроматине, что можно назвать регуляторной архитектурой генома. Дрожжевые клетки могут реагировать на изменения в окружающей среде, изменяя эту регуляторную архитектуру, чтобы включить или выключить различные гены. В многоклеточных организмах, таких как люди, разница между мышечными клетками, нейронами и любым другим типом клеток определяется регулированием набора генов, которые эти клетки экспрессируют. Поэтому расшифровка механизмов, контролирующих эту дифференциальную экспрессию генов, имеет жизненно важное значение для понимания реакции организма на окружающую среду, его развития и эволюции.

"Белки должны быть рекрутированы и собраны в генах, чтобы их можно было" включить", - сказал Б. Франклин Пью, профессор молекулярной биологии и генетики в Корнельском университете и руководитель исследовательского проекта, который был начат, когда он был профессором в Пенсильванском университете. "Мы собрали наиболее полную и высокоразрешающую карту этих белков, показывающую места, которые они связывают с геномом дрожжей, и раскрывающую аспекты того, как они взаимодействуют друг с другом для регуляции экспрессии генов."

Команда использовала метод под названием ChIP-exo, версию ChIP-seq с высоким разрешением, чтобы точно и воспроизводимо отобразить места связывания около 400 различных белков, которые взаимодействуют с геномом дрожжей, некоторые в нескольких местах, а другие в тысячах мест. В ChIP-exo белки химически сшиваются с ДНК внутри живых клеток, тем самым фиксируя их в нужном положении. Затем хромосомы удаляют из клеток и разрезают на более мелкие кусочки. Антитела используются для захвата специфических белков и фрагмента ДНК, с которым они связаны. Место взаимодействия белка и ДНК может быть найдено путем секвенирования ДНК, прикрепленной к белку, и картирования последовательности обратно в геном.

"В традиционном ChIP-seq фрагменты ДНК, прикрепленные к белкам, все еще довольно велики и варьируются по длине—от 100 до 500 пар оснований за пределами фактического места связывания белка", - сказал Уильям К. М. Лай, доцент Корнельского университета и автор статьи. "В ChIP-exo мы добавляем дополнительный этап обрезки ДНК с помощью фермента, называемого экзонуклеазой. Это удаляет любую избыточную ДНК, которая не защищена сшитым белком, позволяя нам получить гораздо более точное местоположение для события связывания и лучше визуализировать взаимодействия между белками."

Команда провела более 1200 индивидуальных экспериментов с чипом-экзо, производя миллиарды отдельных точек данных. Анализ массивных данных позволил использовать суперкомпьютерные кластеры штата Пенсильвания и потребовал разработки нескольких новых биоинформационных инструментов, включая многогранный вычислительный процесс, предназначенный для выявления закономерностей и выявления организации регуляторных белков в геноме дрожжей.

Анализ, который сродни отбору повторяющихся типов признаков на земле из сотен спутниковых снимков, выявил удивительно небольшое количество уникальных белковых ассамбляжей, которые многократно используются в геноме дрожжей.

"Разрешение и полнота полученных данных позволили нам идентифицировать 21 белковую сборку, а также выявить отсутствие специфических регуляторных управляющих сигналов у генов домашнего хозяйства", - сказал Шон Махони, доцент кафедры биохимии и молекулярной биологии Пенсильванского университета и автор статьи. "Вычислительные методы, которые мы разработали для анализа этих данных, могут послужить отправной точкой для дальнейшего развития исследований регуляции генов в более сложных организмах."

Традиционная модель регуляции генов включает белки, называемые "факторами транскрипции", которые связываются с определенными последовательностями ДНК для контроля экспрессии близлежащего гена. Однако исследователи обнаружили, что большинство генов в дрожжах не придерживаются этой модели.

"Мы были удивлены, обнаружив, что генам домашнего хозяйства не хватает архитектуры белок-ДНК, которая позволяла бы связываться определенным транскрипционным факторам, что является отличительной чертой индуцибельных генов", - сказал Пью. "Эти гены просто нуждаются в общем наборе белков, которые обеспечивают доступ к ДНК и ее транскрипции без особой необходимости в регуляции. Сохраняется ли эта закономерность в многоклеточных организмах, таких как люди, еще предстоит выяснить. Это гораздо более сложное предположение, но, как секвенирование генома дрожжей предшествовало секвенированию генома человека, я уверен, что в конечном итоге мы сможем увидеть регуляторную архитектуру человеческого генома с высоким разрешением."

ИСТОЧНИК