Согласно исследованию, опубликованному в журнале Cell Reports , комплекс распознавания происхождения (ORC) играет неожиданно важную роль в регуляции экспрессии генов в клетках человека.

«Это первое подробное исследование того, как и где ORC регулирует эпигенетику и экспрессию генов в клетках человека », — заявила Аниндья Датта, доктор философии, руководитель исследования и заведующая кафедрой генетики Университета Алабамы в Бирмингеме. «Неожиданный масштаб и широта регуляции открывают новые главы в биологии ORC».

Шестисубъединичный комплекс был обнаружен у дрожжей как необходимый для начала репликации ДНК. Однако ряд экспериментов, особенно на низших эукариотических клетках, таких как дрожжи, позволил предположить более широкую роль ORC в регуляции структуры хроматина – ДНК-белкового материала, содержащего все гены клетки. Хроматин плотно упакован в каждом клеточном ядре , и изменения структуры ДНК – как релаксация или конденсация хроматина, так и добавление или удаление эпигенетических меток на ДНК или гистоновых белках – являются частью сложных клеточных механизмов, которые активируют или деактивируют гены.

Ранее исследователи создали три мутации, снижающие активность субъединиц ORC в линиях раковых клеток человека. В текущем исследовании сообщается, что отдельные субъединицы, а не весь комплекс ORC, способны связываться со многими уникальными участками ДНК.

«Хотя субъединицы ORC должны связывать ДНК как часть общей шестисубъединичной ORC, в геноме есть тысячи участков, где одна субъединица связывается, но не другая», — сказал Датта.

Важно отметить, что эти уникальные сайты связывания независимо друг от друга влияли на экспрессию генов. Субъединица ORC2 в некоторых сайтах связывания, как и ожидалось в исследованиях с клетками нижних ярусов, уплотняла хроматин и привлекала репрессивные гистоновые метки, что затрудняло экспрессию генов. Однако, как отмечают исследователи из Медицинской школы Университета Алабамы имени Марникса Э. Хирсинка и Медицинской школы Университета Вирджинии, связывание ORC2 во многих других сайтах активировало экспрессию генов в хроматине.

Более того, ORC2, связанный с ДНК, также предотвращал накопление CTCF в некоторых фокальных участках генома. CTCF, называемый «главным ткачом» генома, контролирует образование петель ДНК и её сворачивание. Это, в свою очередь, влияет на экспрессию генов.

«Наши результаты показывают, что связывание ORC2 с хроматином, по-видимому, удерживает CTCF подальше от определённых участков, и это может быть связано с локальной репрессией хроматина в этих участках», — сказал Датта. «В отсутствие ORC2 CTCF связывается с этими участками и создаёт новые опорные точки для формирования петель».

В двух исследованных исследователями генных локусах повышенное петлеобразование в отсутствие ORC2 позволило изолировать известный энхансер гена из промотора гена – последовательности ДНК, где начинается синтез мРНК. Исследователи обнаружили, что это петлеобразование подавляет экспрессию мРНК и способствует распространению репрессивных эпигенетических меток.

Клеточные линии, использованные в исследовании, характеризуются нокдаунами субъединиц ORC1, ORC2 или ORC5. Хотя они растут медленнее, чем клетки дикого типа, они выживают, пролиферируют и реплицируют ДНК с нормальным набором точек начала репликации. Анализ этих нокдаун-мутантных линий клеток и «спасённых» клеточных линий , в которых гены дикого типа ORC1, ORC2 или ORC5 были добавлены обратно к мутантам, позволил исследователям тщательно изучить роль ORC в эпигенетике, экспрессии генов и структуре хромосом высшего порядка, что позволило получить обширную информацию о том, как субъединицы ORC регулируют экспрессию генов в клетках млекопитающих.

Одной из проблем изучения структуры ДНК в человеческой клетке является огромный размер генома. ДНК одной клетки, если соединить её концы и натянуть, как проволоку, растянется на 2 метра. Эта длинная полинуклеотидная цепочка ДНК претерпевает динамические структурные изменения внутри ядра. Некоторые сегменты плотно обвивают белки, уплотняя ДНК, в то время как другие ослабевают, открывая доступ к генам.

Исследование «Регуляция эпигенетики и структуры хромосом человеческим ORC2» было проведено под руководством авторов-соавторов Дутта, Чжанли Су, доктора философии, кафедра генетики Университета Алабамы в Алабаме, и Чунчжи Цзан, доктора философии, медицинская школа Университета Вирджинии.