Ученые МГУ выяснили, как повлиять на активность хромосом

Сотрудники биологического факультета МГУ детально изучили динамику взаимодействия H2A-H2B димеров гистонового кора – белкового комплекса, на который наматывается ДНК в хромосомах. Исследование было выполнено при поддержке Минобрнауки России в рамках проекта «Наука и университеты», его результаты опубликованы в журнале Cells. 

Длина молекулы ДНК человека составляет примерно 170 см. Причем столь длинная молекула содержится в каждой клетке организма, которых у среднего человека около 30 триллионов. Чтобы геном был компактным, длинная молекула ДНК намотана на специальные белки, как нитка на систему катушек, и от того, каким именно образом она намотана, зависит работа генома. Например, гены, ДНК которых упакована с редким расположением катушек, будут считываться легче и чаще, чем гены с плотной упаковкой. Катушка, на которую наматывается ДНК, называется нуклеосомой. Она состоит из 8 молекул белков гистонов H2A, H2B, H3 и H4 – в составе по две молекулы каждого вида. 

Помимо обеспечения компактизации ДНК, нуклеосомы участвуют в регуляции работы генома. Важную роль в этом играют димеры H2A-H2B. Они стабилизируют общую структуру нуклеосомы и контролируют ее активность. Например, делают возможными разворачивание молекулы ДНК и её движение вдоль нуклеосомы. Если работа гистонового кора плохо контролируется, это может привести к развитию заболеваний, в частности, онкологических.

Несмотря на важность происходящих процессов, все еще неясно, как именно H2A-H2B димеры участвуют в работе нуклеосом. Команда исследователей кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ решила изучить динамику этих процессов. Для этого ученые использовали метод полноатомного молекулярного моделирования, для которого понадобились вычислительные мощности суперкомпьютера МГУ «Ломоносов-2». Этот метод позволяет детально рассмотреть проходящие динамические процессы на субмолекулярных уровнях, а также лучше понять, как связаны между собой разные этапы таких взаимодействий. Для исследований использовали гистоны гладкой шпорцевой лягушки – классического модельного объекта в биологии. Учёные проводили моделирование двух типов систем: свободного димера гистонов H2A-H2B и полной нуклеосомной коровой частицы из 8 молекул гистонов и ДНК.

Результаты показали, что димеры в свободной форме имеют большую динамику, чем в составе нуклеосомы. Кроме того, исследователи обнаружили, что образование стабильных контактов между димером и ДНК приводит к изгибанию ДНК, а также смещению изгиба димера в сторону этих контактов. То есть, общая динамика сгибания димера зависит от того, как он взаимодействует с ДНК. Ученые также смогли проанализировать, что на такую динамику влияет и то, насколько изогнулась ДНК. 

«Хроматин – нуклеопротеид клеточного ядра, составляющий основу хромосом, является динамичной структурой и через изменение динамических свойств каркасных частей хроматина происходит регулирование его функций. Тонкие моды динамики гистонов уже были показаны в ряде исследований структуры нуклеосомы, однако их значение до сих пор не было раскрыто. В нашей работе была показана связь между динамикой гистонов и функционально-важной динамикой ДНК, а также выдвинуты гипотезы о механизме регулирования активности хроматина в результате изменения последовательности гистонов», – пояснила первый автор исследования, аспирант кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ Анастасия Князева.