Генетический материал клетки, ДНК, плотно упакован в структуры, называемые нуклеосомами. ДНК (красная) закручена вокруг двух наборов ядерных белков гистонов (зеленые), образуя своего рода бусину на нитке. Белок гистона H1 закрепляет ДНК в тех местах, где она начинает и заканчивает обвивать бусину. В ядре клетки находятся более миллиона нуклеосом. Фото: Wikipedia
Ученым давно известно, что белок, который помогает упаковывать ДНК в ядре клетки, играет важную роль в регуляции активности генов. Исследователи обнаружили, что белок гистон H1 принимает участие и в образовании рибосом, клеточных «станков», на которых производятся белки.
Исследование опубликовано в журнале The Journal of Cell .
Генетический материал человеческой клетки настолько велик, что его необходимо упаковать в плотные структуры, напоминающие нитки бус. ДНК наматывается на четыре ядерные гистоновые белка, образующие одну из «бусин», в то время как гистон H1, или линкерный гистон, закрепляет ДНК в тех местах, где она начинает и заканчивает накручиваться на бусину. Одна бусина и ассоциированная с ней ДНК образуют нуклеосому. В ядре клетки насчитывается более миллиона нуклеосом.
У животных встречается множество вариантов гистонового белка H1, что делает изучение гистонов очень сложной задачей. Большинство исследований в области биологии гистонов сфокусировано на ядерных гистонах, и предыдущие исследования уже показали, что их различные клеточные модификации коррелируют с изменениями в активности генов.
В ходе нового исследования было обнаружено, что, если гистоны Н1 модифицированы фосфатной группой в процессе фосфорилирования, такая модификация связана с изменениями в активности гена в непосредственной близости от фосфорилированного гистона.
«Большинство исследований фосфорилирования гистонов сфокусировано на делении клетки, когда фосфорилирование находится на своем пике», - говорит Крейг Миззен (Craig Mizzen), профессор клеточной биологии и биологии развития Университета Иллинойса (University of Illinois) и ведущий автор исследования. Во время деления клетки «транскрибируется намного меньше генома, чем в других фазах клеточного цикла», - говорит Миззен. «Все направлено на правильное разделение реплицированных копий генома между новыми дочерними клетками».
Предполагая, что фосфорилирование H1 важно не только для процессов клеточного деления, Миззен и его коллеги идентифицировали точный сайт гистона H1, который фосфорилируется во время других фаз клеточного цикла.
В то время докторант, Юпенг Чжэн (Yupeng Zheng) разработал антитела, узнающие фосфорилирование сайтов Н1, которые используются клетками вне фазы деления. Это позволило Чжэну прийти к выводу, что такое происходящее в интерфазе фосфорилирование Н1 преимущественно связано с генами, находящимися в процессе транскрибирования.
«Гистоны, как правило, распределены по всему геному, - говорит Миззен, - и выяснение того, чем отличаются нуклеосомы активных генов от нуклеосом репрессированных, а также от остального генома, большая часть которого состоит из некодирующих белки генов, является главной целью настоящего молекулярно-биологического исследования».
«Известно, что некоторые модификации ядерных гистонов преимущественно локализуются вблизи активных генов», - говорит Миззен. «Но наша работа приводит первые доказательства того, что это так же верно и для Н1, фосфорилированного по специфическим сайтам».
Чжэн сделал и второе удивительное открытие. Используя для анализа клеток флуоресцентную микроскопию, он заметил, что меченные флуоресцентными маркерами антитела, ориентированные на фосфорилированный Н1 в неделящихся клетках, освещали ядрышко, область ядра, выделенную для транскрибирования рибосомальной РНК, специальной РНК, на которой собираются рибосомы.
«Гены рибосомальной РНК содержатся в ядрышке и транскрибируются другой ферментной системой, чем гены матричных РНК, которые транскрибируются с кодирующих белок генов», - объясняет Миззен. «Участие фосфорилирования Н1 в транскрипции генов, контролирующих рибосомальную РНК, ранее вообще не предполагалось. Эти данные впервые получены в ходе нашего исследования».
Крейг Миззен (Craig Mizzen), профессор клеточной биологии и биологии развития из Университета Иллинойса (справа), докторант Юпенг Чжэн (Yupeng Zheng) и их коллеги открыли, что фосфорилированный гистоновый белок Н1 играет важную роль в регуляции активности генов. Фото: L. Brian Stauffer
Дальнейшие эксперименты выявили, что обработка гормонами (в данном случае эстрадиолом и глюкокортикоидами) стимулирует ассоциацию фосфорилированных гистонов Н1 с регуляторными областями гормон-зависимых генов.
Новые данные могут привести к более глубокому пониманию изменений в клеточном цикле, связанных с раком и другими болезнями, считает Чжэн. На рынке уже существует несколько лекарственных препаратов, ориентированных на киназы – ферменты, фосфорилирующие другие молекулы.
«Один из наиболее успешных препаратов для лечения лейкемии – ингибитор тирозинкиназы, который подавляет путь фосфорилирования и останавливает рост раковых клеток», - говорит Чжэн.