Ученые биологического и физического факультетов МГУ провели серию численных экспериментов, исследовав все возможные варианты связывания ключевого пионерного транскрипционного фактора SOX2 с нуклеосомой — комплексом ДНК с гистонами, который определяет фундаментальную структуру хроматина. Результаты моделирования позволили объяснить противоречия, накопившиеся в экспериментальных работах последних лет: оказалось, что наблюдаемые в разных системах различия в предпочтительных сайтах связывания SOX2 напрямую связаны с тем, насколько подвижна нуклеосома, способна ли она локально смещаться вдоль ДНК и допускает ли формирование изгиба, необходимого для специфического взаимодействия фактора с малой бороздкой.
Исследование проведено в рамках Междисциплинарной научно-образовательной школы МГУ «Молекулярные технологии живых систем и синтетическая биология», а его результаты опубликованы в журнале «Биофизика».
Пионерные транскрипционные факторы — это уникальный класс белков-регуляторов, которые могут распознавать свои сайты даже в условиях, когда ДНК упакована в неактивный хроматин и плотно обернута вокруг гистонов. SOX2 является одним из наиболее изученных и биологически значимых представителей этого класса: он лежит в основе формирования плюрипотентных состояний, участвует в раннем эмбриональном развитии и активации онкогенных программ. Несмотря на огромное количество данных, оставался нерешённым вопрос, почему SOX2 связывается с разными позициями нуклеосомы в разных экспериментах и какие структурные факторы определяют выбор целевых участков связывания. Одни методы указывали на предпочтение центральных позиций, другие — краевых, а третьи демонстрировали широкий спектр допустимых сайтов. Это несоответствие долгое время затрудняло интерпретацию результатов, поскольку отсутствовала единая структурная модель, способная объяснить наблюдаемое многообразие.
Чтобы решить эту проблему, ученые МГУ провели масштабное атомистическое молекулярное моделирование, охватившее все вероятные сайты связывания с ДНК на нуклеосоме. Исследователи показали, что связывание может происходить как без смещения нуклеосомной ДНК, так и со смещением ДНК на одну пару нуклеотидов. В первом случае SOX2 способен стабильно связываться только в ограниченном наборе позиций, что соответствует условиям строго позиционированных нуклеосом, характерных для многих регуляторных участков. Во втором случае — на более лабильных нуклеосомах — SOX2 может формировать корректный комплекс в 14 разных позициях, что объясняет появление неожиданных сайтов связывания в экспериментах in vitro на нестрогих «скользящих» последовательностях ДНК, позиционирующих нуклеосомы. Таким образом, исследователи впервые показали, что способность нуклеосомы к передвижению по ДНК определяет её видимую доступность для пионерного фактора. Исследование также выявило новые перспективные позиции для связывания, которые ранее не были охвачены экспериментально.
«Результаты работы показывают, что предпочтения SOX2 определяются не только его собственными свойствами и предпочтительной последовательностью связывания, но и локальной геометрией нуклеосомной ДНК и строгостью позиционирования нуклеосомы. Фактически в исследовании получена карта потенциальной доступности нуклеосом для пионерного фактора, что является важным шагом к определению механизмов запуска перепрограммирования клетки SOX2 и другими пионерными транскрипционными факторами», – говорит один из авторов работы, профессор биологического факультета МГУ член-корреспондент РАН Алексей Шайтан.
Информация предоставлена пресс-службой МГУ