Исследователи биологического факультета МГУ в составе коллектива авторов из нескольких российских организаций с помощью разных методов изучили роль особого участка гистонового белка (так называемый «кислотный лоскут») во взаимодействии с другими белками, определяющими активность генов. Это поможет в дальнейшем разрабатывать подходы к управлению функцией определенных участков генома. Результаты исследования, поддержанного грантом Минобрнауки № 075-15-2021-1062 в рамках реализации национального проекта «Наука и университеты», опубликованы в International Journal of Molecular Sciences.
Геномы эукариот расположены в ядрах эукариотических клеток в виде сложной структуры, называемой хроматином, состоящей из молекул геномной ДНК и ядерных белков. Гистоны – наиболее распространенные белки в ядрах – необходимы для правильной организации хроматина. Они образуют комплексы, которые связываются с геномной ДНК примерно через каждые 200 нуклеотидов и образуют так называемые нуклеосомы. Эти структуры необходимы не только для компактной укладки ДНК в ядре, но и для обеспечения правильной экспрессии генов, то есть синтеза РНК и затем белков. В зависимости от специфических свойств нуклеосом, а также от набора других ядерных белков, взаимодействующих с ними, гены, входящие в их состав, могут экспрессироваться или находиться в «молчащем» состоянии. Таким образом, нуклеосомы – это важнейшая структурно-функциональная единица генома.
Большое количество взаимодействий нуклеосом с другими ядерными белками, определяющих активность генов, происходит в так называемом «кислотном лоскуте» – участке на поверхности нуклеосомы, состоящем из аминокислот гистонов, характеризующихся отрицательным зарядом. Понимание молекулярных механизмов связывания белков в «кислотном лоскуте» позволит ученым «направлять» на взаимодействие с нуклеосомами различные ядерные белки и таким образом усиливать или ослаблять экспрессию определенных генов.
Для решения этой задачи авторами работы были проанализированы различные публикации по теме и сформирован список ядерных белков, связывающихся в «кислотном лоскуте» нуклеосомы. Эти взаимодействия были изучены с использованием вычислительных и экспериментальных методов. Вначале был применен метод молекулярной динамики, позволяющий при помощи продвинутых математических подходов моделировать взаимодействия между двумя молекулами на уровне отдельных атомов. Этот подход был использован для двух ядерных белков, для которых ранее было экспериментально показано взаимодействие с «кислотным лоскутом» нуклеосомы. В результате такого моделирования стало ясно, какие именно аминокислоты этих белков обеспечивают связывание с нуклеосомой. Также было обнаружено, что в результате этого взаимодействия нуклеосома должна определенным образом изменить свою структуру. Полученные результаты были подтверждены экспериментально, методом FRET-микроскопии, который основан на измерении расстояния между двумя хромофорными «метками» на основании детекции параметров переноса энергии между ними. В данном случае обе метки были внесены в последовательность ДНК, входящую в состав нуклеосомы. Сначала было измерено расстояние между ними без добавления дополнительных факторов, а затем — после добавления белка, взаимодействующего с «кислотным лоскутом». Оказалось, что в этих двух случаях расстояние между метками было различным, что подтверждает изменение структуры нуклеосомы при взаимодействии белка с ее «кислотным лоскутом».
«Помимо фундаментального значения наша работа очень важна в прикладном плане, – прокомментировал ведущий автор работы, профессор биологического факультета МГУ член-корреспондент РАН Алексей Шайтан. – Теперь мы хорошо понимаем, какие именно белки можно добавлять к нуклеосомам, чтобы изменить ее структуру. А ведь изменение структуры нуклеосомы – это изменение уровня экспрессии генов в соответствующем участке ДНК. Наши дальнейшие разработки будут направлены на создание системы избирательного “включения” или “выключения” генов при помощи белков, определенным образом взаимодействующих с “кислотным лоскутом” нуклеосомы. Это позволит нам управлять функцией живой клетки, не внося никаких изменений в ее геном. Такие технологии обязательно найдут свое применение в сельском хозяйстве и в биотехнологии».
Информация предоставлена пресс-службой МГУ
Источник фото: ru.123rf.com