В результате исторического исследования, которое будет опубликовано в Nature, ученым впервые удалось получить изображение генетических процессов, происходящих внутри каждой клетки нашего организма. Используя метод 3-D визуализации, называемый рентгеновской кристаллографией, адъюнкт-профессор биохимии и молекулярной биологии Государственного университета Пенсильвании(PennStateUniversity - PSU) Сонг Тан (SongTan) впервые получил изображение взаимодействия белка с нуклеосомой – структурой из плотно намотанной на белковый комплекс ДНК. Исследование, как ожидается, поможет изучению таких болезней, как рак.
Иллюстрация взаимодействия белка хроматина RCC1 с нуклеосомой. (Credit: Song Tan laboratory, Penn State)
Как генетическая программа жизни, ДНК должна быть доступна для расшифровки, или «считывания», даже когда она упакована в нуклеосомы. Поэтому нуклеосома является ключевым объектом генетических процессов и находится в центре научных исследований функционирования как здоровых, так и больных клеток. Предыдущие исследования в PSU и других научных центрах привели к открытию ферментов хроматина – белков, функцией которых является включение и выключение определенных генов путем взаимодействия с нуклеосомой. Так как трехмерная структура нуклеосом была установлена 13 лет назад, ученые задались вопросом, как, чтобы регулировать экспрессию генов и другие протекающие в клетке процессы, ферменты хроматина распознают нуклеосомы и воздействуют на них.
«Нам необходимо было визуализировать, как эти ферменты могут читать такую сложную структуру как нуклеосома», - объясняет Тан.
Команда лаборатории Тана
(Credit: Song Tan laboratory, Penn State)
«Для решения этой проблемы Равиндра Макдэ (Ravindra D. Makde), постдокторант в руководимой Таном лаборатории, вырастил кристаллы белка RCC1 (регулятора конденсации хромосом, имеющего большое значение для их правильного разделения во время деления клетки), связанные с нуклеосомой, и использовал рентгеновскую кристаллографию для определения атомной структуры комплекса.
«Наши результаты показали, что белок RCC1 связывается с противоположными сторонами нуклеосомы – аналогично тому, как расположены педали на колесе трехколесного велосипеда», - комментирует Тан.
Полученная структура позволяет изучать детали распознавания ферментом как ДНК, так и компонентов белкового кора нуклеосомы на атомном уровне. Неожиданно для исследователей структура также показала, как в процессе образования нуклеосомы ДНК может растягиваться.
Сонг Тан (Song Tan)
(Credit: Song Tan laboratory, Penn State)
«Эти открытия составляют фундамент понимания взаимодействия белка RCC1 и других ферментов хроматина с ДНК, когда она упакована в хроматин», - считает Тан.
Исследование проведено в Центре изучения регуляции генов эукариот (Center for Eukaryotic Gene Regulation) PSU, междисциплинарном центре, занимающимся изучением молекулярных основ включения и выключения генов.
«На протяжении многих лет научное сообщество находилось в тупике», - говорит Франк Пью(Frank Pugh) директор Центра и профессор кафедры молекулярной биологии PSU. «Все, что мы могли, это строить предположения о том, как клеточные белки могут взаимодействовать с нуклеосомами. Теперь, получив структуру, мы стали на шаг ближе к пониманию процесса чтения клетками хроматина, необходимого для регуляции экспрессии генов».
После почти десяти лет работы над этой проблемой Тан и его группа очень довольны полученными результатами. Однако с еще большим энтузиазмом они смотрят на свои будущие исследования. «Теперь нашей целью будет определение структуры других важных с биологической и медицинской точек зрения ферментов хроматина, связанных с нуклеосомой», - говорит Тан. «Мы ожидаем, что эти исследования прольют свет на фундаментальные генетические процессы и лягут в основу новых методов лечения болезней человека, включая рак».
Проект частично финансировался Национальным институтом здравоохранения (National Institutes of Health).
3-D анимация взаимодействия белка хроматина RCC1 с нуклеосомой