Упаковка генов: открыт ключевой процесс

Учёные из Университета штата Пенсильвания достигли важного рубежа в попытке собрать целые хромосомы из их составных частей в пробирке. Это достижение раскрывает процесс, который клетка использует для упаковки основных строительных блоков всего генетического кода организма — его генома. Данные, полученные в ходе первых экспериментов с новой процедурой, опровергают три предыдущие теории процесса упаковки генома и открывают дверь в новую эру биохимических исследований в масштабе всего генома. Статья, описывающая достижение команды, будет опубликована в журнале Science 20 мая 2011 года.

Исследование стало возможным благодаря новой лабораторной процедуре, разработанной группой учёных под руководством Б. Франклина Пью, заведующего кафедрой молекулярной биологии имени Уилламана в Пенсильвании. Процедура впервые позволяет проводить высококонтролируемые биохимические эксперименты со всеми компонентами генома организма.

Исследование команды призвано раскрыть процесс построения хромосомы — суперсжатого чуда молекулярной упаковки, содержащего всю ДНК организма и связанные с ней белки. «Наша процедура начинается с целого генома ДНК из дрожжевых клеток, который мы размножаем через бактерии, а затем очищаем, — пояснил Пью. — Далее мы добавляем равные части чистых гистонов, белковых строительных блоков хромосом. Затем мы позволяем начаться процессу сборки».

В результате короткие участки длинной нити ДНК, содержащей гены, намотались на серию гистоновых белков, образуя цепочку узлов, называемых нуклеосомами, разделённых не завязанными участками ДНК. Хотя более ранние исследования в других лабораториях показали, что одни только гистоны и ДНК могут формировать серию нуклеосомных узлов вдоль нити ДНК, общая структура такой конструкции была недостаточно организованной, чтобы походить на хроматин внутри клетки — материал, который клетка преобразует в хромосомы. Команда Пью искала рецепт, который позволил бы получить реальную, высокоорганизованную структуру хроматина.

«Подобно тому, как выпечка смеси муки и воды даёт пресный хлеб, лишённый текстуры дрожжевого, так и смесь гистонов и ДНК не имела текстуры хроматина», — объясняет Пью. Чтобы придать «текстуру» смеси гистонов и ДНК, аспирант Кристиан Виппо добавил дрожжевой экстракт под руководством заведующего лабораторией Филиппа Корбера из Мюнхенского университета (Германия), соисследователя проекта. «Но, как и добавление дрожжей в муку и воду без сахара, этого было недостаточно», — сказал Пью. Как вспоминает Корбер: «Как только мы добавили АТФ, "хлеб начал подниматься"». Другими словами, ферментам ремоделинга хроматина в экстракте требовалась энергия от АТФ, чтобы перерасположить нуклеосомные узлы вдоль ДНК, придав хроматину текстуру, наблюдаемую внутри клеток. «Ферменты ремоделинга хроматина активно упаковывают нуклеосомы против барьеров, расположенных в начале каждого гена, и этот процесс создаёт равномерно расположенные нуклеосомные массивы», — пояснил Пью.

Критическая часть исследования, позволившая учёным «увидеть» текстуру хроматина, была разработана аспирантом Чжэньхаем Чжаном под руководством Пью. «Поскольку в дрожжевых клетках более 60 000 нуклеосом, составляющих хромосомы, увидеть закономерности в этой текстуре было бы невозможно без вычислительных алгоритмов поиска паттернов, разработанных Чжаном», — сказал Пью. Чжан пояснил: «Примечательно, что когда все гены были выровнены, нуклеосомы в начале генов также выровнялись, а не были разбросаны случайным образом. Без дрожжевого экстракта и АТФ в начале генов можно было увидеть только зоны, свободные от нуклеосом».

Эта работа значима, потому что теперь она позволяет учёным экспериментально исследовать структуру и функцию хромосом и их составных генов способами, которые ранее были недоступны. «Клетка защищает хромосомы от внешней среды, включая любопытных учёных, — отметил Пью. — Теперь у нас есть способ изучать компоненты хромосомы вне защитных границ клетки». Поскольку дефекты в организации хроматина приводят к медицинским проблемам, включая некоторые виды рака и нарушения развития, более прямой доступ к хроматину в его правильно организованном состоянии, как ожидается, поможет ускорить поиск средств от многих человеческих болезней.