Когда работаю нечитаемые гены

Ученые из МФТИ и Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта обнаружили механизм, позволяющий считывать гены, которые недоступны в обычных условиях. Этот эффект обусловлен наличием последовательностей в геноме, узнаваемых белками-блокаторами. Полученные результаты помогут разобраться в механизмах экспрессии белков. Работа опубликована в журнале Scientific Reports.

Геномы содержащих ядро организмов упакованы в конструкцию, состоящую из ДНК, РНК и связующих белков, — хроматин. Обычно хроматин можно разделить на две основные формы, отличающиеся возможностью считывания генетической информации. Нечитаемая часть представляет собой плотно намотанную на белки нить ДНК и называется гетерохроматином. Вторая часть (эухроматин) состоит из свободных участков расплетенной ДНК, что позволяет ферментам использовать эту часть генома для синтеза РНК и белков. Долгое время гетерохроматин считался «молчащей» частью генома, не содержащей генов. А значит, он не должен содержать и генетической информации, влияющей на внешние признаки организма. По мере того, как ученые получали геномные данные различных организмов, стало понятно, что гетерохроматин содержит как неактивные, так и активные районы. В последних есть гены, кодирующие белки, поэтому особенности структуры гетерохроматина стали новым объектом для изучения. В частности, у дрозофилы в районах гетерохроматина, лежащего вблизи от пересечения частей хромосом, уже обнаружено несколько сотен белок-кодирующих генов.

В ходе эволюции гены совершали перемещения между эухроматином и гетерохроматином генома плодовых мушек. Поэтому расположение одних и тех же генов в структуре хроматина может быть различным даже у организмов, относящихся к одному роду — «дрозофила». И хотя перемещение генов между эухроматином и гетерохроматином в ходе эволюции генома дрозофил — явление вполне обычное, оставался непонятным механизм, который позволяет генам адаптироваться к гетерохроматиновому окружению.

«Мы исследовали белок-кодирующие гены, расположенные вблизи центромер хромосом, в так называемом прицентромерном гетерохроматине», — рассказывает Александр Резвых, аспирант МФТИ. 

Оказалось, что рядом с этими генами находятся инсуляторы — последовательности ДНК, с которыми связываются специальные инсуляторные белки, которые блокируют сигнал, исходящий от геномного окружения. Ученые проанализировали гены, которые перемещались между эухроматином и гетерохроматином у видов дрозофил, разделенных 40 миллионами лет эволюции. Оказалось, что последовательности ДНК, узнаваемые инсуляторными белками, сохраняются практически со всеми изученными генами вне зависимости от их расположения в разных частях хроматина.

«Мы предполагаем, что способность к локальной адаптации генов в гетерохроматиновых районах генома была предопределена содержанием инсуляторных сайтов в регуляторных областях этих генов у их общего предка. Кроме того, мы показали, что большинство гетерохроматиновых генов связано не с одним, а со многими инсуляторными белками, которые, возможно, компенсируют функцию друг друга и обеспечивают их нормальное функционирование в условиях гетерохроматинового окружения», — дополняет Сергей Фуников, научный сотрудник лаборатории молекулярных механизмов биологической адаптации Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта

В работе также принимали участие ученые из Морской биологической лаборатории (Вудс-Хоул, США), Университета Йювяскюля (Финляндия) и Института биологии развития им. Н. К. Кольцова.