Все виды помечают свою ДНК метильными группами. Это делается для регуляции экспрессии генов, отличия местной ДНК от чужеродной ДНК или для маркировки старых цепей ДНК во время репликации. Метилирование осуществляется определенными ферментами, называемыми метилтрансферазами, которые украшают ДНК метильными группами в определенном порядке, чтобы создать эпигенетический слой поверх ДНК.
До сих пор ученые не пытались определить, какие ферменты за какие закономерности отвечают. Но в новом исследовании, недавно опубликованном в Nature Communications, ученые из Центра биоустойчивости фонда Novo Nordisk (DTU Biosustain) при Техническом университете Дании объединили ферменты со специфическими моделями метилирования в двух бактериях.
Знание того, какой фермент за что отвечает, открывает массу возможностей для применения. Обладая этими знаниями, вы можете конструировать модельные организмы с искусственными метиломами, имитируя паттерн метилирования штамма, ДНК которого вы хотите ввести. Таким образом, вы может обеспечить «выживание» введенной ДНК», - говорит специалист и первый автор этой статьи Торбьорн Олсхёй Йенсен из DTU Biosustain.
Ученые часто сталкиваются с проблемами метилирования, когда пытаются внедрить чужеродную ДНК в организм-хозяин, например бактерии или дрожжи. Но введение чужеродной ДНК имеет важное значение при создании производственных хозяев - часто называемых клеточными фабриками - способных производить, например, лекарства, устойчивые биохимические вещества и пищевые ингредиенты. Часто хозяину нужны гены (ДНК) других организмов, чтобы производить искомые соединения.
Но так же часто хозяин отвергает чужеродную ДНК и разрезает ее на части просто потому, что образцы метилирования показывают, что ДНК чужая. Ученые, работающие с кишечной палочкой в качестве хозяина, обычно не имеют столько проблем - или меньше, чем другие - при введении новой ДНК, поскольку кишечная палочка хорошо известна и довольно «хорошо себя ведет». Но переход на менее известные хосты может стать большой проблемой.
Работая с другими бактериями, кроме E. coli, вам часто приходится делать много проб и ошибок, когда дело доходит до трансформации ДНК, но этого недостаточно. Вам нужны знания и инструменты. иметь систематический и рациональный способ решения проблем», - говорит Торбьерн Олсхёй Йенсен.
Цель состояла в том, чтобы выяснить, какие ферменты за какие закономерности отвечают. Чтобы раскрыть это, исследователи сконструировали ДНК-кольца (плазмиды), содержащие одну из метилтрансфераз и «кассеты», содержащие несколько копий определенных паттернов ДНК. Эти ДНК-паттерны, называемые мотивами, являются мишенями для метилтрансфераз. Соединяя их, метилтрансфераза, экспрессируемая плазмидой, специфическим образом помечала бы ДНК, тем самым выявляя характер метилирования фермента.
Это было сделано для всех метилтрансфераз. После этого все плазмиды (в пуле) были прочитаны с использованием метода секвенирования, предназначенного для выявления метильных групп. Это дало исследователям «библиотеку» сочетаний ферментов с мотивами.
Этот быстрый метод определения паттернов метилирования метилтрансферазы имеет большие перспективы для других исследователей, борющихся с деградацией ДНК, по словам исследовательской группы.
Для проверки метода ученые проанализировали геномы термостойкой бактерии M. thermoacetica, а также бактерии A. woodii. Обе бактерии являются хозяевами с большим потенциалом для промышленного применения и существенно модифицированными геномами.
В общей сложности два бактериальных организма содержат 23 гена метилтрансфераз, но демонстрируют модификации только 12 различных ДНК-мотивов в своих геномах, а это означает, что не все метилтрансферазы активны.
Команда оценила все 23 метилтрансферазы в поисках тех из них, которые активны в геномах. Для 11 из 12 мотивов они смогли связать активность со специфическим геном метилтрансфераз.
Используя этот метод, команда надеется сконструировать носителей с однозначным «метиломом», что означает, что организм содержит только нужные метилтрансферазы, что облегчит введение чужеродной ДНК в немодельные организмы.
Это может быть полезно как при создании клеточных фабрик на основе новых или менее известных хозяев, так и для понимания регуляции экспрессии генов и дифференцировки клеток.