Контроль экспрессии генов: как хроматиновые ремоделеры блокируют передачу гистонов

Две противоборствующие команды регулируют экспрессию генов. Активаторы поддерживают ДНК открытой для ферментов, транскрибирующих ДНК в РНК. Репрессоры противодействуют этому, скручивая ДНК в недоступную спираль вокруг гистоновых белков, образуя хроматин, и блокируя доступ ферментов, удлиняющих цепь РНК.

Обе команды маневрируют, химически модифицируя гистоны. Активаторы добавляют ацетильные группы («зеленые флажки»), ослабляя связь гистонов с ДНК. Репрессоры отвечают метильными группами («красные флажки»), которые привлекают деацетилазы, удаляющие «зеленые флажки», восстанавливают хроматиновый барьер и прекращают раунд экспрессии гена. Нарушение этого баланса лежит в основе многих заболеваний, особенно рака.

Лаборатория Джерри Воркмана из Института медицинских исследований Стоуэрс ранее сообщила в журнале Nature, что резерв «преацетилированных» гистонов находится на «скамейке запасных» хроматина, готовый заменить гистоны, чьи «зеленые флажки» срезаны репрессорами. Эта тактика, помогающая активаторам, называется «гистоновый обмен».

В новом исследовании, опубликованном 26 августа 2012 года в Advance Online Publication журнала Nature Structural & Molecular Biology, лаборатория Воркмана показывает, что репрессор Set2 в дрожжах Saccharomyces cerevisiae рекрутирует белкового помощника, чтобы блокировать этот гистоновый обмен. Это раскрывает ранее неизвестный механизм контроля активации генов и предотвращения ошибочной транскрипции.

«Точная экспрессия генов критически важна для нормальной функции клетки, и когда этот контроль теряется, клетки растут аномально», — говорит Воркман. — «Эти два исследования определяют механизмы, используемые клетками для регуляции экспрессии генов, что важно для понимания того, что идет не так при заболеваниях, отмеченных нерегулируемым ростом клеток, например, раке».

Исследование началось, когда группа в сотрудничестве с экспертами по протеомике Майклом Уошберном и Лоренсом Флоренсом применила масс-спектрометрический анализ для идентификации белков, связывающихся с хроматином в регионах, патрулируемых Set2 (маркированных метильной группой Set2 на определенном гистоне).

«Мы знали, что Set2 добавляет эту метку в средней и конечной частях генов, чтобы рекрутировать деацетилазы», — говорит ведущий автор исследования Михаэла Смолле. — «Но протеомный поиск позволил нам закинуть широкую сеть для других белков, ассоциированных с этой меткой, — немного как рыбалка».

Среди «пойманных рыб» оказался компонент хроматинового «ремоделера» дрожжей, известного как Isw1. Дополнительные геномные эксперименты на мутантных дрожжах, лишенных Set2, поддержали эту идею: не только отсутствовали «красные» метильные метки, но и ландшафт хроматина был лишен Isw1.

Для оценки биологической функции Isw1 группа использовала другой мутант дрожжей, лишенный самого гена ISW1. Микрочиповый анализ глобальной транскрипции у мутантов ISW1 CHD1 показал широко нарушенную экспрессию генов, отмеченную аберрантной экспрессией коротких фрагментов РНК вместо полных транскриптов. Биологи рассматривают наличие таких «криптических транскриптов» как индикаторы клеточного стресса.

Анализ паттернов ацетилирования и метилирования в хроматине мутантов ISW1 выявил вероятную причину: у мутантов наблюдалась повышенная активность гистонового обмена, отмеченная чрезмерным уровнем «зеленых» преацетилированных гистонов по длине многих генов, что, вероятно, способствовало инициации укороченных РНК.

«Наша работа показывает, что метильная метка Set2 играет две важные роли, чтобы гарантировать, что транскрипция РНК начинается только в начале гена, а не в середине», — говорит Воркман. — «С одной стороны, она рекрутирует Isw1 для блокировки входящих гистонов, а с другой — также рекрутирует деацетилазу для удаления любых ацетильных меток, которым, возможно, удалось проникнуть».

Лаборатория Воркмана использует дрожжи, плодовых мух и клетки млекопитающих для изучения факторов, активирующих и репрессирующих транскрипцию. Пока они охарактеризовали игроков репрессивного пути Set2 в основном в дрожжах, отчасти потому, что дрожжи — идеальный организм для мутационного анализа с относительно небольшим геномом (~6000 генов против ~25000 у человека или мыши).

Смолле отмечает, что хотя геномы дрожжей проще, принципы, управляющие активностью Set2 в дрожжах, вероятно, будут верны и для его человеческих аналогов, среди которых белок SETD2.

«У дрожжей есть одна метилаза, а у человека — несколько, и у мух, и у человека есть несколько Isw1-подобных белков», — говорит она. — «Хотя нельзя точно приравнять один к другому, можно быть достаточно уверенным, что то, что происходит в дрожжах, происходит и у человека, но имеет тенденцию быть более сложным».

Воркман соглашается, добавляя, что эти открытия имеют важное значение для человеческих болезней.

«Поразительно, что человеческий гомолог Set2, SETD2, фигурирует как супрессор опухолей при раке молочной железы и почечной карциноме, и в этих клетках наблюдается дефицит метильной метки SETD2», — говорит он. — «Эти данные убедительно свидетельствуют о том, что SETD2 может быть важен для контроля роста клеток и предотвращения опухолей. Благодаря дрожжам мы теперь знаем больше о том, как Set2 это делает».