Компьютерное моделирование визуализировало, как ключевой белок стволовых клеток открывает упакованную ДНК

Международная группа исследователей под руководством Ханса Шёлера и Влада Кожокару из Института молекулярной биомедицины Макса Планка в Мюнстере с беспрецедентной детализацией визуализировала ключевой белок для превращения взрослых стволовых клеток в клетки, напоминающие эмбриональные стволовые клетки. Комбинируя эксперименты и компьютерное моделирование, команда показала, как белок Oct4 связывается и открывает короткие участки ДНК, обёрнутые вокруг белков ядерного хранения (гистонов), как в нашем геноме. Результаты опубликованы в журнале Nucleic Acids Research 22 сентября.

Взрослые клетки можно превратить в клетки, подобные эмбриональным стволовым (индуцированные плюрипотентные клетки, iPSCs), с помощью коктейля всего из четырёх белков. Эта технология клеточного репрограммирования внесла огромный вклад в моделирование заболеваний, разработку лекарств и клеточную терапию. Однако многие вопросы о молекулярных механизмах этого превращения остаются без ответа. Например, один из ключевых этапов — открытие ДНК в клетках. В каждой нашей клетке содержится около двух метров ДНК, упакованной в структуру, известную как хроматин. В хроматине ДНК плотно обёрнута вокруг гистонов в повторяющихся структурных единицах — нуклеосомах. Как же эти четыре белка открывают ДНК?

Oct4: Пионерный регулятор плюрипотентных стволовых клеток

Три из четырёх белков описаны как пионерные транскрипционные факторы. Это означает, что они связываются с определёнными последовательностями ДНК, даже когда она упакована в нуклеосомы, и способны прямо или косвенно открывать хроматин. Среди них Oct4 выделяется, поскольку он необходим для поддержания эмбриональных стволовых клеток разных видов и для репрограммирования человеческих клеток. Oct4 был открыт в конце 80-х Хансом Шёлером примерно одновременно с двумя другими лабораториями и является единственным незаменимым фактором в нобелевском коктейле Синъи Яманаки для репрограммирования взрослых клеток в плюрипотентные. Около 10 лет назад Абденур Суфи и Кен Зарет описали участки упакованной ДНК, с которыми связывается Oct4 на ранних стадиях репрограммирования.

Кейтлин Маккарти, постдок в группе Ханса Шёлера и один из основных авторов исследования, провела лабораторные эксперименты. Она отмечает, что работа с геномными или нативными нуклеосомами была технически сложной из-за их высокой динамичности, в отличие от более стабильных искусственных последовательностей. Тем не менее, команде удалось точно показать, где Oct4 связывается с ними.

Вычислительный наноскоп

Чтобы понять, что происходит при связывании, Ян Уэртас, также основной автор исследования, провёл компьютерное моделирование во время своей PhD работы в MPI Мюнстер. Он и Влад Кожокару использовали «вычислительный наноскоп» для визуализации того, как Oct4 связывается с нуклеосомами и влияет на их структуру. Этот термин относится к набору методов компьютерного моделирования, позволяющих визуализировать движение молекул во времени.

Точность этих методов сейчас настолько высока, что можно представить, будто наблюдаешь молекулы под микроскопом сверхвысокого разрешения. Нуклеосомы, как и все макромолекулярные структуры в клетках, динамичны: они движутся, скручиваются, «дышат», разворачиваются и снова упаковываются. Визуализировать эти движения в экспериментах часто невозможно. Уэртас отмечает, что наблюдать за движением всех атомов в этих больших молекулярных структурах на компьютере и знать, что это близко к реальности, — удивительно.

Oct4 открывает нуклеосомы

В смоделированных фильмах в реальном времени о комплексах Oct4-нуклеосома (показывающих от 1 до 3 микросекунд жизни комплекса) Уэртас и Кожокару наблюдали, как Oct4 способен открывать нуклеосомы. Они описали в атомарных деталях механизмы этого открытия, сравнивая движения свободных и связанных с Oct4 нуклеосом.

Интересно, что открытие зависело от положения последовательности ДНК, узнаваемой Oct4 на нуклеосоме, и от подвижности концевых гибких регионов гистонов, известных как гистоновые хвосты.

На пути к пониманию пионерных факторов и смены клеточной судьбы

Исследователи видят большие перспективы в своей работе. Кожокару подчёркивает, что они впервые показали в атомарных деталях не только как Oct4 связывается с разными нуклеосомами, но и как это связывание вместе с гистоновыми хвостами влияет на структурную гибкость нуклеосом.

Маккарти добавляет, что гистоновые хвосты, как и пионерные факторы, также являются ключевыми регуляторами экспрессии генов. Если пионерные факторы связываются с ДНК, чтобы открыть хроматин и активировать гены, то гистоновые хвосты несут химические модификации, которые определяют области открытого хроматина, откуда гены могут экспрессироваться.

Уэртас поясняет, что до сих пор оставалось загадкой, как гистоновые хвосты влияют на способность пионерных факторов связываться и открывать нуклеосомы. Их работа прокладывает путь для будущих исследований других пионерных факторов, многие из которых ключевы для клеточных трансформаций, включая смену клеточной судьбы и рак.

Кожокару резюмирует: «Описанный нами механизм заполняет пробел в понимании того, как такие факторы, как Oct4, индуцируют переходы клеточной судьбы. Понимание этих механизмов в конечном итоге даст средства для оптимизации и контроля таких переходов для успешного использования в терапиях. И компьютерное моделирование будет в центре этих будущих открытий».