Nový model ukazuje, že DNA je v buňkách dostupnější, než se dlouho předpokládalo

Více než 85 % nukleosomů v myších kmenových buňkách vykazuje nějaký stupeň vnitřní otevřenosti DNA. Desítky let platný model „zapnuto/vypnuto“ dostává konkurenci.

Foto: Pixnio

Představa byla jednoduchá a elegantní: buď je DNA navinutá na nukleosomech, a tím pádem zamčená, nebo je volná, a tedy přístupná pro čtení genů. Tenhle binární přepínač fungoval v učebnicích i v laboratořích po celé dekády. Teď ale mezinárodní tým kolem Vijaye Ramaniho z Gladstone Institutes a Haniho Goodarziho z Arc Institute publikoval v Nature studii, která říká něco jiného: i „zamčené“ nukleosomy jsou často pootevřené. A to ne výjimečně, ale masově.

Co přesně IDLI měří a proč to dřív nešlo

Klíčem k objevu je výpočetní metoda s názvem IDLI (Iteratively Defined Lengths of Inaccessibility). Ta staví na starším nástroji SAMOSA, který tým představil už v roce 2020. SAMOSA uměla na jednotlivých chromatinových vláknech zmapovat, kde nukleosomy sedí a jak jsou rozmístěné. IDLI jde ale dál: dívá se dovnitř každého nukleosomu a ptá se, které úseky navinuté DNA jsou skutečně nepřístupné a které částečně otevřené.

Technicky to funguje tak, že se chromatin nejprve enzymaticky „otiskne“ methylací, přečte na platformě PacBio a pak algoritmus (kombinace neuronové sítě a skrytého Markovova modelu) hledá subfootprinty uvnitř jednotlivých nukleosomů. Starší metody, jako je široce používaný ATAC-seq, průměrovaly signál milionů molekul najednou. Přechodné a heterogenní mezistavy uvnitř nukleosomu v takovém průměru jednoduše zmizely.

Čtrnáct odstínů místo dvou

V hlavním datasetu z myších embryonálních kmenových buněk autoři identifikovali 14 strukturálních typů nukleosomů, které sdružili do 7 širších skupin. Skupina I odpovídá klasickému, nejméně přístupnému chromatosomovému stavu s navázaným histonem H1. Skupiny II až VII zahrnují nukleosomy s různou mírou vnitřní dostupnosti, od fokálního otevření v konkrétních superhelických pozicích přes symetricky rozvinuté „dýchající“ nukleosomy až po subnukleosomální částice, jako jsou hexasomy nebo tetrasomy.

Zásadní číslo: skupiny II–VII dohromady tvořily 86,6 % všech footprintů. Jinými slovy, jen asi každý sedmý nukleosom odpovídal plně uzavřenému stavu, který dosavadní model považoval za normu.

V rozhovoru pro Arc Institute to Ramani a Goodarzi přirovnávají k posunu od vypínače k regulátoru hlasitosti. Geny se nezapínají a nevypínají skokem, spíš se plynule zesilují a zeslabují.

Důkaz od transkripčních faktorů

Aby autoři ukázali, že nejde jen o statistický artefakt, provedli cílené experimenty se dvěma takzvanými pionýrskými transkripčními faktory, tedy proteiny, které umějí vázat DNA i na povrchu nukleosomu. U faktoru SOX2 použili rychlou degradaci proteinu v myších buňkách, u FOXA2 mutantní alelu bez klíčové domény pro interakci s histony. V obou případech se rozložení nukleosomových typů v okolí vazebných míst měnilo. Konkrétně: po odstranění SOX2 nebo narušení FOXA2 ubylo přístupnějších stavů a přibylo uzavřených forem.

Studie navíc není omezená jen na myší model. V lidských indukovaných pluripotentních buňkách diferencovaných do endodermu tým u míst FOXA2 našel 16 typů v 7 skupinách a mezi nediferencovanými a diferencovanými buňkami pozoroval významné posuny v zastoupení jednotlivých stavů. Princip se tedy přenáší mezi druhy i buněčnými kontexty, byť přesný počet typů závisí na konkrétní tkáni.

Co to znamená pro medicínu, a co zatím ne

Podle doprovodného materiálu Gladstone Institutes autoři vidí největší potenciál tam, kde selhává hledání jedné jasné mutace: u rakoviny, neurodegenerativních chorob a stárnutí. Jemná „stupnice hlasitosti“ nukleosomů by mohla vysvětlit malé, ale biologicky důležité posuny v aktivitě desítek genů současně, právě ten typ změn, které běžné přístupnostní mapy nevidí.

Je ale důležité říct, co studie není. Není to preklinický kandidát na lék, není to biomarkerový test a není to klinická studie. Žádná česká instituce se na výzkumu nepodílela a konkrétní časový horizont pro terapeutické využití neexistuje. Autoři zveřejnili data i kód (surová data v databázi GEO, skripty na GitHubu), takže výsledky jsou plně reprodukovatelné a otevřené dalšímu výzkumu. Nejbližší krok bude validace v lidských tkáních a u konkrétních onemocnění.

Starý model genové regulace nepadá. Dostává ale k sobě jemnější měřítko, a s ním i šanci přečíst to, co dosud mizelo v průměru milionů buněk