Биологи из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института выяснили, как меняется трехмерная структура хроматина (комплекса ДНК, РНК и белков, составляющих хромосмы) при влиянии на нее различных эпигенетических регуляторов. Результаты работы были опубликованы в Nature.

Ученые использовали метод сверхчувствительной микроскопии, чтобы впервые получить изображения пространственной организации отдельных участков хроматина, а также выяснить особенности формирования 3D структуры в зависимости от эпигенетического влияния. Для этого в клетках дрозофилы были исследованы 46 геномных домена  — участков с различным эпигенетическим статусом: с активной транскрипцией генов, неактивные и подавленные. Эпигенетический статус определялся на основе гистонных модификаций и регуляторных белков, связывающихся с доменом. Например, если домен преимущественно связывался с белками группы polycomb, ответственными за ингибирование множества генов, его относили к третьей группе. Для каждого домена выяснялись особенности пространственной организации, например, занимаемый им объем, длина, плотность упаковки и другие параметры.

Изображение пространственной организации двух доменов генома дрозофилы с различными эпигенетическими статусами: активным (слева) и подавленным (справа). Иллюстрация: A.N.Boettiger et al., Nature, 2016

Исследователи выяснили, что существует четкая зависимость между определенным эпигенетическим статусом домена и свойствами его 3D структуры. Объем активных доменов был всегда больше объема подавленных. Для активных доменов зависимость объема от длины всегда положительная, а для подавленных — отрицательная, то есть чем длиннее ДНК, тем она плотнее упакована. Кроме того, для доменов с подавленным эпигенетическим статусом характерно незначительное взаимодействие с соседними доменами, тогда как другие могут сильно перекрываться. Что касается потенциальных механизмов формирования пространственной организации, то активные и неактивные домены показывают свойства фрактальной глобулы: в небольшом пространстве они сворачиваются до тех пор, пока не уместятся в нем. На плотность упаковки доменов третьей группы влияют белки группы polycomb, которые связывают между собой различные участки хроматина.

Факт того, что пространственная организация участков хромосомы оказывает влияние на активность генов был известен давно. ТАкже было известно и то, что эпигенетические факторы, связываясь с ДНК или гистонами, способны изменять плотность упаковки хроматина, тем самым активируя или подавляя генную экспрессию. Однако цельная картина взаимосвязи между структурой различных участков хромосом и их эпигенетической регуляцией оставалась неизвестной.

Эпигенетическая регуляция осуществляется механизмами, которые не затрагивают саму ДНК, но оказывают влияние на функции гена. Например, присоединение метильной группы к одному из нуклеотидов может как активизировать ген, так и выключить его. Мишенью эпигенетических факторов может служить не только ДНК, но и связанные с ней белки-гистоны. Ацетилирование гистона вызывает его отсоединение от нуклеиновой цепочки, что позволяет запуститься процессам транскрипции.

Автор: Александр Еникеев