Группа исследователей из Медицинского колледжа Бейлора обнаружила, что не только отдельные клетки млекопитающих в популяции не могут синхронно реагировать на стимуляцию эстрогеном, но и отдельные копии генов, известные как аллели. Результаты, опубликованные в недавнем выпуске журнала Nucleic Acids Research, также показали, что ни уровень рецептора эстрогена, ни статус его активации не определяют асинхронные клеточные ответы.
Однако низкомолекулярный ингибитор выбранных корегуляторов эстрогена увеличивал реакцию отдельных аллелей на гормон, устанавливая ранее неизвестный способ регуляции эстроген-индуцированной активации генов на уровне отдельных клеток.
«Эстроген - это тип стероидного гормона, который модулирует большое количество биологических функций как у мужчин, так и у женщин, регулируя активность сотен генов в клетке», - сказал первый автор доктор Фабио Стосси. адъюнкт-профессор молекулярной и клеточной биологии и технический директор Центра интегрированной микроскопии в Бэйлоре.
Многое известно о том, как эстроген вызывает свои эффекты. Он связывается с ядерным фактором транскрипции (рецептором эстрогена или ER), который, в свою очередь, взаимодействует со специфическими последовательностями ДНК, облегчая рекрутирование корегуляторов, которые участвуют в регуляции экспрессии генов. Предполагалось, что этот процесс, вероятно, будет происходить одновременно во всех клетках, содержащих ER, в популяции, стимулированной эстрогеном, но мало что было известно о том, как реагируют отдельные клетки или отдельные копии одного и того же гена. Вот почему исследователи не ожидали этих открытий на уровне отдельных клеток.
Изучение отдельных клеток и аллелей
"В текущем исследовании мы работали с клеточными линиями рака молочной железы человека, выращенными в лаборатории. Используя как молекулярный анализ, так и анализ изображений, мы определили на уровне отдельных клеток и аллелей экспрессию двух хорошо охарактеризованных генов, GREB1 и MYC, активность которых регулируется эстрогеном», - сказал соответствующий автор, доктор Майкл А. Манчини, профессор молекулярной и клеточной биологии, фармакологии и химической биологии в Бэйлоре. Манчини также является академическим директором давно работающего Центра интегрированной микроскопии (IMC) в Бейлоре и директором недавно созданного Центра передовой микроскопии и информатики изображений GCC (CAMII), ресурса, финансируемого CPRIT, в Бейлоре и Техасском институте A&M. для биологических наук и технологий.
Исследователи инкубировали клетки в лаборатории и обрабатывали их эстрогеном. Затем они рассмотрели экспрессию генов GREB1 и MYC в отдельных клетках и экспрессию отдельных аллелей в каждой клетке. Как и ожидалось, они обнаружили, что эстроген активировал гены GREB1 и MYC быстро, в течение 15 минут, но наблюдалась неожиданная и выраженная асинхронная реакция на симуляцию гормонов как на уровне отдельных клеток, так и на уровне аллелей..
Наш анализ показал, что активация генов в клетках популяции оказалась более случайной, чем мы ожидали. В одиночных клетках реакция каждой копии гена не зависела от реакции соседних клеток. аллели генов были активны, в то время как клетки рядом с ними имели активные некоторые или все копии генов», - сказал Стосси.
Тем не менее, исследователи объяснили, что, хотя эти результаты не были описаны ранее в биологии рецепторов эстрогена, они не стали полной неожиданностью.
Исследования генетически идентичных бактерий показали, что при одинаковом воздействии не все бактерии реагируют одинаково. Это называется фенотипической гетерогенностью.
Мы изучаем механизмы действия ER с помощью современной визуализации/анализа с 90-х годов, с постоянным улучшением наших ресурсов по мере их разработки или выхода на рынок, но эти недавние исследования впервые выявили новые характеристики действия эстрогена в клетках млекопитающих», - сказал Манчини. «Наличие фенотипической гетерогенности придает клеточным популяциям важную стратегию адаптации, независимо от того, являются ли они раковыми или нормальными. не имеют способности к выживанию. Но иная реакция может позволить некоторым клеткам выжить».
Что вызывает асинхронный ответ?
Следующие эксперименты должны были определить, что вызывает асинхронную активацию генов, запускаемую эстрогеном. Поскольку процедуры визуализации и анализа изображений, которые были разработаны и использованы, были совместимы с полностью автоматизированными высокопроизводительными платформами визуализации/анализа в рамках IMC и CAMII, у нас была уникальная возможность изучить этот вопрос.
Во-первых, исследователи предположили, что клетки по-разному реагируют на эстроген, потому что количество рецепторов эстрогена на клетку различается. Они были удивлены, обнаружив, что количество рецепторов эстрогена, экспрессируемых в клетках, не диктовало строго, собирается ли клетка активировать гены-мишени. Затем исследователи исследовали, зависит ли клеточный ответ на эстроген от статуса активации рецептора эстрогена, используя конститутивно-активный рецептор, связанный с пациентом, но опять же, они не обнаружили корреляции.
Затем исследователи изучили возможность того, что корегуляторы рецепторов эстрогена участвуют в модулировании аллельного ответа на эстроген. Используя автоматизированные высокопроизводительные ресурсы IMC/CAMII, они протестировали набор низкомолекулярных эпигенетических ингибиторов и идентифицировали один, названный MS049, ингибитор двух протеин-аргинин-метилтрансфераз, который заметно увеличил ожидаемое количество активных аллелей на клетку при стимуляция эстрогена геноспецифическим образом.
Впервые нам удалось изменить характер эстрогенного ответа на аллельном уровне, указав, что существуют пути, которые служат реостатами для поддержания изменчивости ответа на стимул, тем самым препятствуя максимальному и единообразному поведению. в популяции клеток», - сказал Стосси. «Эти результаты свидетельствуют о том, что изменение активности корегуляторов может изменять вариации гормональных ответов от аллеля к аллелю геноспецифическим образом».
Результаты дают новое представление о сложной природе регуляции экспрессии генов в клетках млекопитающих.