В качестве экспериментальной модели для исследования механизма действия стероидных гормонов на ткани ученые Института биологии гена Российской академии наук используют плодовую мушку дрозофилу. По сравнению с организмом человека, где на одни и те же гены действуют одновременно разные стероидные гормоны, развитием организма дрозофилы управляет единственный стероидный гормон - экдизон. Дрозофила является более простой моделью, идеальной для изучения фундаментального механизма регуляции работы генов стероидными гормонами.
Несмотря на то что гормональная регуляция дрозофилы значительно проще, чем у человека, механизм того, как экдизоновый гормон активирует гены в различных тканях, остается недостаточно исследованным. В своей работе ученые впервые объединили две методики для изучения данного вопроса. Во-первых, снизили уровень экдизона в тканях живой дрозофилы, внедрив в них белок-экспортер Е23, выкачивающий гормон из клетки. Во-вторых, использовали полногеномные методы исследования для описания работы участков ДНК, управляющих работой генов-мишеней экдизона. Такой подход позволил найти гены-мишени, которые экдизон контролирует в ткани слюнных желез личинки дрозофилы, и описать механизм того, как повышение концентрации гормона заставляет ген работать. Оказалось, что экдизон влияет на самые ранние этапы транскрипции своих генов-мишеней (транскрипция — это «прочтение» генетической информации, закодированной в генах, создание РНК молекулы на основе ДНК). Ученые показали, что экдизон стимулирует привлечение на гены-мишени основного фермента-продуцента РНК — РНК полимеразы II. Также выяснилось, что экдизон активирует работу участков ДНК, управляющих работой генов, называемых энхансерами. Оказалось, что высокая концентрация экдизона в клетке приводит к освобождению данных участков-энхансеров от блокирующих белков. Интересной информацией является то, что эти регуляторные участки ДНК, обеспечивающие активацию генов экдизоном в клетках слюнных желез, активны только в данной ткани (то есть они тканеспецифичны). Выяснилось, что данные участки не работают в клетках ткани мозга дрозофилы. Вместе проведенные эксперименты дали возможность наблюдать, как в отдельной ткани живой дрозофилы протекает процесс активации работы генов стероидным гормоном экдизоном. Работа по проекту была поддержана Российский научным фондом (РНФ), грант №23-14-00184. Результаты исследования опубликованы в журнале Nucleic Acids Research (прим. - Пресс-служба РНФ).
Схема регуляции генов у дрозофилы. Источник: Институт биологии гена РАН
Надежда Воробьева, доктор биологических наук, заведующая группой динамики транскрипционных комплексов Института биологии гена РАН, ответила на вопросы «Ъ-Науки»:
— Все гормоны действуют на клетку через рецепторы, которые являются белками. У всех стероидных гормонов рецепторы очень интересные. Это белки, которые сами могут взаимодействовать с ДНК. Стероидные гормоны — это малые молекулы, которые очень эффективно проникают в клетку. Когда они связываются со своим рецептором, то пара «гормон—рецептор» становится регуляторным белком, изменяющим работу генов.
Ранее считалось, что экдизоновый рецептор (белок, который связывает гормон экдизон дрозофилы и опосредует действие гормона на клетку) все время связан с ДНК, даже когда экдизона в клетке нет. Считалось, что когда экдизона нет, то экдизоновый рецептор подавляет работу генов, «сидя» на ДНК, а когда экдизон поступает в клетку, экдизоновый рецептор взаимодействует с ним и активирует работу генов. В опубликованной работе мы показали, что по крайней мере для слюнных желез дрозофилы может работать альтернативный механизм. Мы обнаружили, что поступление экдизона в клетки на самом деле приводит к тому, что экдизоновый рецептор начинает находить новые участки ДНК для связывания. И именно эти новые участки, с которыми экдизоновый рецептор связывается после поступления гормона в клетки, важны для активации работы генов гормоном. При этом экдизоновый рецептор еще и «уходит» с некоторых регуляторных участков ДНК, когда появляется экдизон. И такие гены, которые «теряют» экдизоновый рецептор, подавляются. Результаты позволили описать новую модель молекулярного механизма активации транскрипции генов экдизоном.
— В науке сейчас преобладает следующий взгляд на данный вопрос. Выше я уже описала, что рецепторы гормонов являются белками, которые «сидят» на ДНК и активируют работу генов. Считается, что в разных тканях рецепторы гормонов связывают разные участки ДНК и, соответственно, активируют работу генов, которые расположены рядом. То есть в одной ткани рецепторы «сидят» рядом с одними генами, а в другой ткани — рядом с другими. Поэтому и активируются разные гены. Самый интересный вопрос: почему рецепторы связывают разные участки ДНК в разных клетках? Считается, что рецепторам для связывания с ДНК нужны белки-партнеры, которые тоже связывают ДНК и которые уже сидят на ДНК и «ждут», когда придет рецептор. Полагают, что в разных клетках присутствуют разные такие белки-партнеры, к которым «приходит» рецептор. Поэтому и получается, что рецептор в разных клетках «приходит» на разные участки ДНК. Интересным моментом, который показала наша работа, является то, что присутствие гормона в клетке приводит к перераспределению участков ДНК, связываемых рецептором гормона в геноме. Мы считаем, что это может происходить оттого, что в присутствии гормона рецептор взаимодействует с другим набором его белков-партнеров, чем в отсутствие гормона. Это и приводит к тому, что изменение концентрации гормона в клетке перераспределяет рецептор гормона между различными участками ДНК в геноме. В результате одни гены активируются (те, к которым приходит рецептор гормона), а другие, наоборот, подавляются (те, от которых рецептор гормона уходит).
— Для решения данной проблемы существуют другие подходы. Есть идея, что в разных тканях рецепторы гормонов активируют работу генов разными способами. Дело в том, что активация работы гена — это очень сложный процесс, в котором участвует очень много белков (сотни белков). Так вот, есть идея, что в разных тканях набор вот этих белков, которые помогают рецептору гормона активировать транскрипцию генов-мишеней, разный. И если это так, то, влияя на эти различающиеся белки, мы можем влиять на работу гормон-активируемых генов только в определенных тканях. В контексте данной идеи гормональное воздействие на ткани может заменить воздействие какими-то малыми молекулами на белки-партнеры рецептора гормона, которые помогают ему активировать работу гена только в определенной ткани. Есть надежда, что таким образом получится достичь селективного воздействия на работу гормон-активируемых генов в определенной ткани. Такое воздействие может заменить собой гормоны.
— Гормональная система человека очень сложная. Там не только разные рецепторы связывают одни и те же участки в геноме. Там на самом деле еще и рецепторы могут по-разному влиять на гены: какие-то активируют, какие-то подавляют их работу. В двух словах эту систему не опишешь.
Off-target-эффекты гормонов — это скорее не про то, что разные рецепторы влияют на одни и те же гены. Off-target-эффект — это когда нам нужно воздействовать гормоном на какой-то один орган (например, на легкие), а на остальные не нужно. Но гормон все равно начинает действовать на все органы. И для каких-то из них это воздействие может не быть полезным.
— То, насколько дрозофила полезна для изучения человека, зависит от того вопроса, который ты исследуешь. Смоделировать поведенческие эксперименты на дрозофиле сложно, а что-то, может, и невозможно.
Но мы изучаем процессы, которые являются основой для существования каждого организма, а именно — механизм работы генов. Невозможно себе представить организм, у которого гены бы всегда работали одинаково. Меняется сам организм, меняется внешняя среда, и это всегда приводит к изменению в работе генов. Гены изменяют свою активность не сами по себе. Для этого на них воздействуют специальные регуляторные белки. И сам механизм этого процесса очень сходен между дрозофилой и человеком. Если организм вырабатывает стероидные гормоны, чтобы влиять на работу своих генов, значит, он использует сходный набор белков для того, чтобы осуществить эту регуляцию.
— Приведу пример того, как это может быть использовано. В своей работе мы впервые показали, что повышение концентрации экдизона приводит к тому, что на промоторы активируемых генов начинает привлекаться регуляторный белок ТВР, который очень важен для начала процесса активации работы генов. Мы полагаем даже, что белок ТВР может привлекаться за счет взаимодействия с рецептором экдизона, который также связывает промоторы. Такой механизм активации транскрипции при помощи гормонов не был известен ранее. Из-за того что мы обнаружили этот момент у дрозофилы, другие исследователи, которые изучают стероидные гормоны человека, тоже могут заинтересоваться данным вопросом. Основываясь на наших данных, они могут проверить, не обладают ли такими же свойствами гормоны человека. В том случае, если их гипотеза подтвердится, факт взаимодействия рецептора стероидного гормона и ТВР человека уже может заинтересовать R&D-лаборатории фармацевтических компаний. И те уже могут получить низкомолекулярную молекулу, которая будет нарушать или, наоборот, способствовать взаимодействию рецептора и ТВР. Таким образом, мы сможем получить вещество, которое способствует или нарушает активацию генов под влиянием гормонального сигнала в определенных тканях (которые обогащены данным регуляторным белком ТВР). Вот как-то так работает фундаментальная наука. Путь открытия долог, но других вариантов нет.
— Механизм действия стероидных гормонов — это механизм воздействия регуляторных белков на гены, который приводит к активации или супрессии работы генов. Процесс активации работы генов включает в себя описание работы сотен белков. Для того чтобы его понять, нужно иметь возможность детектировать все эти белки и исследовать их поведение в динамике. До полного понимания таких сложных биологических процессов нам еще очень далеко. Это пока просто технически невозможно.
— Любые организмы, которые используют гормоны для воздействия на свои гены.
— Гормональное воздействие имеет серьезное преимущество перед воздействием CRISPR: оно обратимо. Гормон включает и выключает ген, когда это нужно организму. Воздействие на ДНК — удаление ее участка — необратимо. Вы не сможете «открутить» его назад. В принципе CRISPR можно использовать не только чтобы удалять участки ДНК, но и чтобы добавлять их. Но процесс добавления гораздо менее эффективен и более неспецифичен.
— В современном понимании механизма работы энхансеров до сих пор присутствует «яйце-куриная» проблема. Что инициирует работу энхансера? Определяет ли это связывание ДНК-связывающего белка, который «открывает» хроматин в данном районе, или какой-то ремоделирующий хроматин-комплекс сначала «открывает» хроматин для того, чтобы белок связался с ДНК? Существование тканеспецифичных энхансеров сдвигает это равновесие в пользу лидерства ДНК-связывающего белка. Дело в том, что тканеспецифичных ДНК-связывающих белков много, а ремоделирующие комплексы присутствуют все-таки более или менее во всех тканях. То есть, скорее, ДНК-связывающие белки инициируют работу энхансеров в определенной ткани.
