Генетический материал каждой клетки млекопитающего защищен ядром. У здоровых организмов ядро обычно круглой формы получает стабильность благодаря ядерной оболочке и ядерной пластинке. Последний представляет собой сеть белков, зажатых между внутренней ядерной оболочкой и ДНК, и в значительной степени формирует ядерную форму.
Нарушения формы ядер часто наблюдаются при таких заболеваниях человека, как рак. В частности, ядерные аномалии, называемые микроядрами (небольшие ядерные структуры вблизи основного ядра) и ядерными пузырьками (выступами основного ядра), могут привести к серьезному нарушению целостности геномной ДНК. Эти аномалии исторически использовались в качестве диагностического и прогностического инструмента для нескольких видов рака, таких как рак молочной железы. Тем не менее, точные молекулярные механизмы их образования до конца не изучены.
Отсутствие MOF вызывает стохастическую потерю формы ядра
В своем последнем исследовании лаборатория директора Макса Планка Асифы Ахтар обнаружила спонтанное накопление микроядер и ядерных пузырьков в первичных клетках после потери эпигенетического регуляторного фермента, называемого MOF. Этот хорошо изученный фермент облегчает доступ к генетическому материалу, модифицируя гистоны, представляющие собой белки, на которые ДНК наматывается внутри ядра. «MOF откладывает ацетильные группы на гистонах. Это открывает хроматин, упаковку ДНК, и обеспечивает активность генов и, таким образом, кодирование белков. Мы задались вопросом, какая может быть связь между классическим эпигенетическим регулятором MOF и аномальными ядерными пузырьками и микроядрами», - объясняет Асифа Ахтар.
Чтобы исследовать этот вопрос, ее команда под руководством аспиранта Адама Карутаса провела беспристрастную идентификацию полного спектра белков, которые ацетилируются MOF в клетке. Их анализ показал, что MOF нацеливается не только на гистоновые белки, но и на белок ядерной пластинки Lamin A/C. Кроме того, команда определила комплекс NSL, связанный с MOF, ответственный за ацетилирование Lamin A/C. Lamin A/C является одним из строительных блоков сетчатой ядерной пластинки, которая действует как вязкоупругая оболочка ядра. Исследование показало, что потеря ацетилирования ламина А/С приводит к размягчению ядер, которые склонны к механическому давлению и, в конечном итоге, к разрушению. В этих условиях гораздо более вероятно образование ядерных пузырей и микроядер.
Геномный распад в ядре
"Эти ядерные пузырьки и сегрегированные микроядра представляют опасность для целостности генетического материала клетки. Когда мы секвенировали геномную ДНК первичных клеток, в которых отсутствует MOF, мы обнаружили поле битвы", - говорит Адам Карутас, первый автор публикации.
Исследователи увидели, что коллапс ядерной архитектуры разрушает части клеточных хромосом, в то время как другие части остаются совершенно нетронутыми. Сегменты отдельных хромосом были сломаны во многих точках и неправильно собраны. Целые части отсутствовали, в то время как другие были продублированы или повторно включены в неправильной ориентации. Ученые и клиницисты используют термин «хромотрипсис» (chromo - хромосома, а thripsis - по-гречески «разрушение») для описания этой геномной катастрофы. «Такие фатальные события связаны с врожденными заболеваниями и встречаются в 20-30% высокоагрессивных раков. Однако нам впервые удалось наблюдать хромотрипсис в первичных клетках, в которых отсутствует только MOF», - говорит Адам Карутас.
Отчаянная попытка механизмов репарации клеточной ДНК собрать фрагменты и восстановить повреждения приводит к мутациям, которые в конечном итоге приводят к тому, что деление и гибель клеток выходят из-под контроля. Пытаясь понять лежащие в основе этого явления молекулярные механизмы, исследователи исследовали эпигенетический ландшафт ядерных аномалий. К своему удивлению, они обнаружили, что в ядерных пузырьках и микроядрах она совершенно иная, чем в соседних основных ядрах.
Эпигенетический механизм контроля повреждений
"В то время как основные ядра представляли собой равновесие областей "рыхлой" и "плотной" ДНК, называемых эухроматином и гетерохроматином соответственно, мы наблюдали, что ДНК внутри микроядер и ядерных пузырьков находилась в основном в состоянии гетерохроматина. Считается, что более плотно упакованная форма ДНК в основном подавляет активность генов», - говорит Адам Карутас.
Ученые назвали это недавно наблюдаемое явление обогащением гетерохроматина при ядерных аномалиях (HENA). Точно так же, как HENA украшает руку, модификации гистонов покрывали ДНК внутри ядерных аномалий. «Самое поразительное, что HENA, по-видимому, влияет на транскрипцию генов. Он останавливает процесс, посредством которого ДНК используется в качестве матрицы для создания РНК. Мы предполагаем, что HENA может играть защитную роль в клетках, которые накапливают ядерные аномалии и могут стать канцерогенными», - объясняет Асифа Ахтар.
Предотвращение пути к катастрофе
Ученые надеются, что будущая работа определит роль эпигенетического механизма HENA в заболеваниях, связанных с ядерными аномалиями, такими как рак или старение. Еще одно многообещающее направление исследований - фармакологические изменения ацетилирования ламина А/С.«Мы протестировали ингибиторы гистондеацетилазы. Это эпигенетические препараты, уже используемые в терапии рака. Они действуют за счет увеличения общего ацетилирования белков. не хватает MOF», - говорит Адам Карутас. «Как MOF-зависимое ацетилирование ламина A/C регулируется в живых организмах, неясно. Таким образом, полная характеристика этого открытия на моделях мышей в различных тканях или при старении была бы следующим логическим шагом и дает захватывающую возможность раскрыть терапевтический потенциал в будущем». - говорит Асифа Ахтар.