Jak buňky „umlčí" genomové zbytky starověkých virů

Pro organismy je klíčové, aby byly schopny kontrolovat, které geny se mají projevit  ve kterých buňkách a kdy. Předpokládá se, že přirozeně se vyskytující chemické modifikace histonových proteinů vázajících DNA hrají v tomto procesu důležitou roli. Výzkumníci z EMBL Heidelberg a jejich spolupracovníci v EMBL Australia experimentálně prokázali, že určitá histonová místa fungují jako kritická kontrolní místa, která pomáhají předcházet falešné aktivaci částí genomu - včetně sekvencí odvozených ze starověkých zbytků virů.

Aby jakýkoli organismus přežil a prosperoval, musí jeho buňky přísně kontrolovat, které geny jsou aktivní kdy a kde. Nový výzkum skupiny Noh Group EMBL Heidelberg a jejich spolupracovníků z EMBL Australia vrhá světlo na některá klíčová kontrolní místa, která tento proces regulují, zejména s ohledem na aktivitu starověkých virových sekvencí v genomu. 

Naše genomy jsou obrovské

Typická lidská buňka obsahuje DNA s více než 6 miliardami jednotek informací (měřeno v 'párech bází'). Tato pokladnice informací však představuje výzvu, pokud jde o vyhledání správných informací ve správný čas pro výkon konkrétní funkce. Zde vstupují do hry tzv. epigenetické signatury. 

Pokud si genom představíte jako knihu, epigenetické značky jsou záhlaví na jejích stránkách a poznámky na jejích okrajích. Není vždy snadné zjistit, zda jsou tyto značky „instruktivní", tedy říkají buňce „Tady, tohle si přečti" nebo „Nečti to!" Nebo zda jsou to prostě značky, které po sobě zanechal předchozí čtenář, což naznačuje, že tato část knihy byla navštívena již dříve.

Histony

Právě tato otázka zaujala Kyung-Min Noh, vedoucí skupiny v EMBL Heidelberg, a její tým. Vědci se rozhodli zaměřit na molekulu zvanou H3.3, která patří do třídy proteinů nazývaných histony. Histony se pevně vážou na DNA v buňkách a pomáhají tvořit její funkční strukturu. Protein H3.3 má na ocasu několik skvrn (nazývaných K9 a K27), které jsou často chemicky modifikovány. Předpokládá se, že tyto modifikace jsou epigenetické značky, které pomáhají buňce rozhodovat o genové expresi. Doposud však nikdy nebylo experimentálně prokázáno, že se jedná o skutečná kontrolní místa, která projevení genu instruují. (Poznámka: Histony jsou bílkoviny, které se vyznačují vysokým obsahem aminokyselin. Pomocí kladného náboje těchto aminokyselin vytvářejí vratné (reverzibilní) komplexy s DNA. Histony zabraňují zamotání DNA a chrání ji před poškozením. Působí jako cívky, kolem kterých se vine DNA. Vzniklé jednotky, nukleozomy, jsou dále zabaleny do vláken o průměru 30 nm, což tvoří těsně zabalený chromatin. Bez histonů by odvinutá DNA v chromozomech byla velmi dlouhá. Například každá lidská buňka má asi 1,8 metru dlouhou DNA. Při navinutí kolem histonů se však tato délka zmenší na asi 90 mikrometrů.)

Co když se značky ztratí?

Výzkumníci se rozhodli experimentálně zmutovat tato místa, čímž vytvořili verzi H3.3, kterou nebylo možné na těchto místech chemicky modifikovat. Vzhledem k naší výše uvedené analogii s knihou to vytvořilo jakousi chráněnou stránku, kterou nebylo možné zvýraznit nebo označit, což vědcům umožnilo přímo prozkoumat, jaké by byly důsledky ztráty takových značek. 
Navíc tento systém umožnil výzkumníkům odlišit, která stránka byla chráněna a která ne, což jim umožňovalo porovnávat ztrátu úprav na jednom nebo druhém kontrolním místě. 

Vědci zjistili, že mutace těchto míst v myších kmenových buňkách vedla nejen k defektům v buněčné diferenciaci, růstu a přežití, ale také způsobila falešnou aktivaci genů napříč genomem. To zahrnovalo geny, které by neměly být exprimovány v kmenových buňkách, jako jsou např. geny specifické pro imunitní systém.

To naznačuje, že normální funkcí těchto míst je udržovat tyto geny v inaktivovaném nebo potlačeném stavu, což umožňuje kmenovým buňkám zůstat kmenovými buňkami. Účinky byly také odlišné pro dvě studovaná kontrolní místa, což ukazuje, že každé z nich hraje v genové regulaci odlišnou roli.

Některá místa v genomu jsou prastaré zbytky...

Po další analýze vědci zjistili, že některé z těchto oblastí, které jsou typicky potlačeny, ale byly aktivovány po mutaci histonových míst, jsou prastarými zbytky virů, které se integrovaly do našich genomů. „Tyto regiony se také nazývají endogenní retroviry (ERV)," vysvětlil Matteo Trovato, bývalý doktorand ve skupině Noh a první autor studie, v současnosti postdoktorand na IFOM v Itálii. „Během evoluce byly kooptovány genomem hostitele, aby vykonávaly regulační funkce. V imunitních buňkách je například 30 % zesilovačů (specifický typ regulačního prvku DNA) odvozeno z ERV".

...které je lepší umlčet

Výzkumníci zjistili, že modifikací místa K9 v kmenových buňkách se aktivovalo mnoho takových „kryptických" zesilovačů – regulačních oblastí DNA, které jsou normálně umlčeny. "Potlačení těchto jedinečných genomových oblastí je zásadní pro zachování rovnováhy programu genové exprese buňky, " řekla Noh. "Aktivace kryptických zesilovačů spouští rozsáhlé přepojování genové regulační sítě, což v konečném důsledku ovlivňuje identitu a funkčnost kmenových buněk."

Studie byla provedena ve spolupráci se skupinou Chena Davidoviče v EMBL Australia, laboratoří Benjamina Garcii na Washingtonské univerzitě, St. Louis, a týmu Judith Zauggové v EMBL Heidelberg. Výsledky byly nedávno publikováno v časopise Přírodní komunikace.

Budoucí hodnota výzkumu

Toto je jedna z úplně prvních několika studií provedených v savčím systému, která ukazuje, že tyto histonové zbytky hrají nesmírně důležitou roli v genové regulaci. Pochopení tohoto procesu by mohlo mít širší důsledky pro vývojovou biologii a výzkum nemocí, zejména rakoviny a neurologických poruch, kde genová regulace hraje zásadní roli.

Zdroj: Tisková zpráva EMBL, Evropské laboratoře molekulární biologie, která poskytuje vedení a koordinaci pro vědy o živé přírodě v celé Evropě.