Генетический материал наших клеток - ДНК - существует в структуре высокого порядка, называемой «хроматином». Хроматин состоит из ДНК, обернутой вокруг гистоновых белков, и эффективно упаковывает ДНК в небольшой объем. Более того, используя аналогию с катушкой и нитью, хроматин позволяет локально наматывать или разматывать ДНК, что позволяет генам быть заключенными или открытыми. Неправильная регуляция структур хроматина приводит к аберрантной экспрессии генов и может в конечном итоге привести к нарушениям развития или раку. Несмотря на важность структур ДНК высокого порядка, сложность механизма, лежащего в их основе, позволяет обойти молекулярную диссекцию.
Впервые молекулярные биологи обнаружили, как один конкретный механизм использует энергию для обеспечения правильного размещения гистонов в ДНК для формирования хроматина. Они опубликовали свои результаты 17 декабря в Nature Communications..
Исследование было сосредоточено на белках, называемых гистоновыми шаперонами. Шапероны гистонов отвечают за добавление и удаление определенных гистонов в определенное время в процессе упаковки ДНК. Неправильный гистон в неподходящее время и в неподходящем месте может привести к неправильной регуляции экспрессии генов или аберрантной репликации ДНК. Таким образом, гистоновые шапероны играют ключевую роль в сборке и разборке хроматина.
«Чтобы тщательно контролировать сборку и разборку единиц хроматина, гистоновые шапероны действуют как молекулярные сопровождающие, которые предотвращают агрегацию гистонов и нежелательные взаимодействия», - сказал профессор Джи-Джун Сонг из Департамента биологических наук в KAIST. «Мы решили понять, как уникальный шаперон гистонов использует химическую энергию для сборки или разборки хроматина."
Сонг и его команда обратились к Abo1, единственному известному гистоновому компаньону, который использует клеточную энергию (АТФ). Хотя Abo1 обнаружен у дрожжей, у него есть аналогичный партнер в других организмах, включая человека, называемый ATAD2. Оба используют АТФ, который вырабатывается в ходе клеточного процесса, когда ферменты разрушают фосфатную связь молекулы. Энергия АТФ обычно используется для питания других клеточных процессов, но она редко является партнером для гистоновых шаперонов.
«Это была интересная проблема в полевых условиях, потому что все другие гистоновые шапероны, изученные на сегодняшний день, не используют АТФ», - сказал Сонг.
Визуализируя Abo1 с помощью метода флуоресцентной визуализации одиночной молекулы, известного как анализ ДНК-занавеса, исследователи могли исследовать белковые взаимодействия на уровне одной молекулы. Этот метод позволяет ученым размещать молекулы ДНК и белки на одном слое микрожидкостной камеры и исследовать этот слой с помощью флуоресцентной микроскопии.
В ходе наблюдения в режиме реального времени исследователи обнаружили, что Abo1 имеет форму кольца и меняет свою структуру, чтобы вместить определенный гистон и отложить его в ДНК. Более того, они обнаружили, что адаптивные структурные изменения питаются от АДФ.
«Мы обнаружили механизм, с помощью которого Abo1 приспосабливается к гистоновым субстратам, что в конечном итоге позволяет ему функционировать как уникальный энергозависимый шаперон гистонов», - сказал Сонг. «Мы также обнаружили, что, несмотря на то, что Abo1 выглядит как машина для разборки белков, он на самом деле загружает гистоновые субстраты в ДНК, чтобы облегчить сборку хроматина».
Исследователи планируют продолжить изучение того, как энергозависимые шапероны гистонов связывают и высвобождают гистоны, с конечной целью разработки терапевтических средств, которые могут воздействовать на вызывающее рак неправильное поведение аналогичного человеческого аналога Abo1, ATAD2.