Российские ученые определили, какие механизмы помогают ядерной ДНК образовывать и сохранять трехмерные структуры. Оказалось, что важную роль играют жидкие конденсаты различных типов, которые способны контролировать активность генов. В перспективе результаты, полученные исследователями, могут быть потенциально использованы для борьбы с онкологическими заболеваниям. Работа, выполненная при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ), опубликована в журнале Nucleic Acids Research.
Изучение генома человека и позвоночных животных при помощи современных технологий позволило раскрыть новые механизмы регуляции работы генов. Так, исследование связей удаленных друг от друга участков ДНК показало, как геном укладывается в пространстве клеточного ядра, и как это влияет на реализацию его функций. Понимая важность так называемого 3D-генома, ученые задались вопросом о том, какие молекулярные механизмы обеспечивают установление и поддержание этой системы.
В основе данных механизмов лежит взаимодействие ДНК с белками и взаимодействие связанных с ДНК белков друг с другом. В последние годы стала очевидной роль слабых взаимодействий между различными макромолекулами в клеточном ядре. Оказалось, что простые физические законы направляют самосборку различных макромолекулярных комплексов в живой клетке, в том числе и таких сложных, как упакованный в хроматин геном. К числу физических процессов, играющих важную роль в построении живой клетки, относится и процесс разделения жидких фаз (Liquid-Liquid Phase Separation, LLPS), который можно наблюдать на примере капли жира в воде. В живых клетках к выделению жидкой фазы может привести взаимодействие между различными белками и РНК при достаточно высокой концентрации этих макромолекул.
Исследователи Института биологии гена РАН (Москва) совместно с коллегами из Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова и Института биоорганической химии РАН изучили (Москва), какую роль играет LLPS в поддержании пространственной организации генома. Для этого авторы провели эксперименты с «бессмертными» клетками опухоли шейки матки HeLa, добавляя в среду культивирования 1,6-гександиол. Они наблюдали, как это вещество, способное разрушать жидкие конденсаты, влияет на хроматин – основной компонент клеточного ядра. Проведенные исследования показали, что под действием 1,6-гександиола происходит ослабление LLPS, а оно приводит к изменениям практически на всех уровнях организации генома. Даже когда соединение убрали из среды, хроматин не вернулся в свою исходную форму.
«Полученные результаты свидетельствуют о том, что LLPS участвует в тонкой настройке пространственной организации генома. Это, в том числе, поддержание контактов между генами и удаленными регуляторными элементами (энхансерами), играющими ключевую роль в контроле активности генов», — рассказывает Сергей Разин, руководитель проекта по гранту РНФ, один из авторов статьи, член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией структурно-функциональной организации хромосом Института биологии гена РАН.
Исследование также показало, что в поддержании 3D-генома участвуют жидкофазные конденсаты (изолированные от остальной части ядра капли) различных типов. Такие капли содержат все, что необходимо для запуска транскрипции (синтеза РНК на матрице ДНК), и формируются, в частности, на энхансерах. Именно эти капли и получилось разрушить с помощью использованного в данной работе низкомолекулярного агента.
«Сложность исследования заключалась в необходимости отделения влияния LLPS от более выраженных биологических сил. Для этого мы воспользовались несколькими взаимодополняющими подходами — двумя типами микроскопии сверхвысокого разрешения (наноскопии) и методами полногеномного анализа 3D-генома, основанными на использовании глубокого секвенирования. Важно отметить, что это исследование является первой российской работой, в которой такие подходы использованы совместно», — отмечает другой автор работы, Омар Кантидзе, доктор биологических наук, заместитель директора ИБГ РАН.
Развивая тематику, можно будет попытаться повысить избирательность действия агентов с целью адресного разрушения энхансер-промоторных активаторных комплексов. Эти агенты можно впоследствии использовать в качестве лекарственных средств для подавления работы онкогенов. Другим перспективным направлением работы является разработка стратегии контроля экспрессии генов через искусственное создание конденсатов, привлекаемых к определенным местам генома.