Новое исследование показывает, как гены включаются и выключаются

 Дрожжи — этот простой организм, необходимый для приготовления пива и хлеба — раскрыли исследователям из Корнелла ключевой механизм контроля над генами.

Транскрипция генов — сложный процесс, который наши клетки используют для чтения генетической информации, хранящейся в ДНК, — долгое время считалось, что она включается только тогда, когда определенные регуляторные факторы перемещаются в определенные последовательности ДНК. В новом исследовании, опубликованном 27 октября в журнале Genes & Development, группа исследователей из Корнелла обнаружила, что некоторые гены уже имеют свои регулирующие транскрипцию факторы и кофакторы, но находятся в латентном состоянии. При соответствующих сигналах эти «уравновешенные» гены становятся очень активными.

Используя методы CRISPR, исследователи удалили части механизма транскрипции дрожжей, чтобы систематически изучить роль, которую они играют в регуляции генов. Дрожжи и люди имеют в основном один и тот же молекулярный механизм для регуляции своих генов, поэтому дрожжи представляют собой прекрасную модель для понимания регуляции генов у людей.

«Это похоже на игру Дженга, где вы вынимаете деревянный блок из башни из блоков и смотрите, рухнет ли все это. Вот как мы узнаем, как белковые машины работают внутри клеток», — сказал Б. Франклин Пью, профессор молекулярной биологии и генетики из Большой Филадельфии в Колледже искусств и наук.

Исследователи выделили два класса генов дрожжей в зависимости от того, как они регулируются. Первая и самая большая группа обеспечивает основные функции домашнего хозяйства, позволяя клеткам жить и расти. Эти гены всегда «включены» на очень низком уровне, потому что механизм транскрипции с трудом находит путь к каждому гену.

Второй класс, «индуцируемые» гены, имеет целый антураж белков, собранных рядом. При срабатывании сигналов окружающей среды это уравновешенное окружение помогает механизму транскрипции. Это приводит к высоким уровням индуцированной транскрипции.

«Ценность сбалансированности заключается в том, что определенные гены, такие как гены реакции на окружающую среду, могут быстро реагировать на изменение окружающей среды; например, когда дрожжи сталкиваются с хлебными сахарами и усваивают их, в результате чего хлебное тесто поднимается», — сказал Пью. Аналогичные метаболические процессы происходят в клетках человека при приеме пищи.

Пью занимается исследованием регуляции генов более 30 лет. Когда он был студентом Корнеллского университета, идея о том, как регулируются наши гены — столь важная для биологии и такая неизвестная, — очаровала его, и он всю жизнь пытался ее понять.

«В этой статье мы, наконец, подошли к основному вопросу о том, как эти специфические для гена факторы транскрипции, которые реагируют на окружающую среду, задействуют основной механизм транскрипции», — сказал он. «Мы не смогли полностью ответить на вопрос в этой статье, но мы получили четкое представление о том, как работает этот процесс».

В предыдущей связанной работе Пью нанес на карту точные сайты связывания более чем 400 различных хромосомных белков в геноме дрожжей, большинство из которых регулируют экспрессию генов.

«Эта статья проливает свет на понимание того, как все эти белки объединяются и работают вместе, чтобы читать и регулировать гены», — сказал Пью. Новое исследование основано на этой работе, углубляясь в понимание архитектуры белков и механизма генов.

«Опираясь на годы существующих исследований и сочетая их с современными и элегантными инструментами геномики, мы помогли нам заполнить пробелы в текущих знаниях, а также сделать новые открытия», — сказал первый автор Читван Миттал, научный сотрудник Института здоровья животных Бейкера в колледж ветеринарной медицины.

Помимо Пью и Миттала, соавторами были Уильям Лай, доцент-исследователь (A&S), и Оливия Лэнг, докторант в области вычислительной биологии, которая руководила анализом тысяч наборов данных, полученных в ходе исследования.

Работа была поддержана грантом Национального института здоровья.

Линда Б. Глейзер — менеджер по новостям и связям со СМИ Колледжа искусств и наук.

Источник