Это парадоксальное состояние — сродни выяснению того, как ориентироваться в красно-зеленом светофоре — с тех пор подверглось тщательному анализу в лабораториях по всему миру. Было постулировано, что контролирующие регионы (или промоторы) некоторых генов, особенно тех, которые имеют решающее значение для развития в недифференцированном состоянии, остаются «уравновешенными» для пластичности, взаимодействуя как с активирующими, так и с репрессивными гистонами, что биологи штата называют «бивалентностью».
Исследование, проведенное учеными из Института медицинских исследований Стоуэрса, пересматривает эту идею. В предварительном онлайн-выпуске журнала Nature Structural and Molecular Biology на этой неделе команда под руководством исследователя Али Шилатифарда, доктора философии, идентифицирует белковый комплекс, который реализует активирующую гистоновую метку специально на «уравновешенных» генах в эмбриональном стволе мыши (ES ) клеток, но сообщает, что его потеря мало влияет на активацию генов развития во время дифференцировки. Это говорит о том, что еще многое предстоит узнать об интерпретации паттернов модификации гистонов в эмбриональных и даже раковых клетках.
«Было много ажиотажа по поводу идеи, что промоторы генов, регулируемых развитием, демонстрируют как стоп-сигналы, так и сигналы выхода», — объясняет Шилтифард. «Эта работа поддерживает идею о том, что модификации гистонов могут составлять код, регулирующий экспрессию генов. Однако мы утверждали, что код не является абсолютным и зависит от контекста».Шилатифард имеет исторический интерес к регуляции генов, управляющих развитием и раком. В 2001 году его лаборатория была первой, кто охарактеризовал комплекс дрожжевых белков под названием COMPASS, который ферментативно метилирует гистоны таким образом, чтобы способствовать экспрессии генов.
Позже он обнаружил, что у млекопитающих есть шесть двойников COMPASS — два белка SET (1A и 1B) и четыре белка MLL (лейкемии смешанного происхождения), названные так потому, что они являются мутантами при некоторых лейкозах. С тех пор группа сосредоточилась на понимании функциональных различий между метилазами COMPASS.
Роль мышиного Mll2 в установлении бивалентности была темой последнего исследования.Для понимания результатов статьи требуется краткий праймер, определяющий три потенциальных состояния метилирования гистона H3. Если 4-я аминокислота, лизин (K), отображает три метильные группы (обозначенные H3K4me3), то эта метка является признаком активной транскрипции из этой области хромосомы.
Если 27-й остаток гистона H3 (также лизин) триметилирован (H3K27me3), эта метка связана с подавлением этой области хромосомы. Но если оба остатка гистона H3 отмечены метилированием (метки H3K4me3 и H3K27me3), этот ген считается готовым к активации в недифференцированном состоянии клетки.Команда уже знала, что ферментный комплекс PRC2 реализовал репрессивную метку H3K27me3.
Чтобы определить, какой член семьи COMPASS участвует в этом процессе, группа генетически исключила все возможности и предложила Mll2 как ответственный фактор. Mll2-дефицитные клетки действительно обнаруживают потерю H3K4me3, но не на всех генах, а на промоторах генов, регулируемых развитием, таких как гены Hox.Открытие произошло, когда исследователи оценили поведение эмбриональных стволовых клеток мыши с дефицитом Mll2.
Во-первых, клетки продолжали проявлять определяющее свойство стволовых клеток, способность «самообновляться», что означает, что гены, обеспечивающие универсальность стволовых клеток, не были нарушены потерей Mll2. Но примечательно то, что при культивировании с фактором, который индуцирует их созревание, Mll2-дефицитные ES-клетки мыши не обнаруживают явных аномалий в экспрессии генов. Фактически, экспрессия тех самых Hox генов, которые обычно обнаруживают метки двухвалентных гистонов, была столь же своевременной в Mll2-дефицитных клетках, как и в немутантных клетках.
«Это означает, что мышиные ES-клетки с дефицитом Mll2, которые получают сигнал дифференцировки, могут по-прежнему активировать гены, необходимые для созревания, даже если они потеряли метку H3K4me3 в двухвалентных областях», — говорит Децин Ху, доктор философии, научный сотрудник, руководивший исследованием. учиться. «Эта работа прокладывает путь к пониманию того, какова реальная функция бивалентности в плюрипотентных клетках и развитии».Результаты исследования также потенциально влияют на онкогенез, так как «раковые стволовые клетки», запускающие опухоль, обнаруживают метки двухвалентного гистона в некоторых генах. «Раковые стволовые клетки устойчивы к химиотерапии, что затрудняет их искоренение», — говорит Ху. «Наша работа может пролить свет на то, как раковые стволовые клетки образуют опухоль, или предложить способ отключить эти гены».
Другими сотрудниками Стоуэрса из лаборатории Shilatifard были Александр С. Гаррусс, Синь Гао, Марк А. Морган, доктор философии, Малкольм Кук и Эдвин Р. Смит, доктор философии.Финансирование исследования было предоставлено Институтом медицинских исследований Стоуэрса и Национальным институтом рака США.