A gének hozzáférhetőségének alapjai

A géntechnológia már régóta képes olyan bonyolult és összetett folyamatok megvalósítására, amilyen például a klónozás. Ám a mai napig feltáratlan maradt, hogy maga genetikai információ pontosan hogyan is képes érvényre jutni bármely élő szervezetet esetében.

Az élőlények genetikai információja az örökítőanyag, azaz a DNS (dezoxiribonukleinsav) formájában tárolódik. A hosszú DNS-molekulák alkotják a kromoszómákat - az ember esetében huszonhárom párat - amelyek meghatározott szakaszait géneknek nevezzük. A DNS klasszikus kromoszóma-formája (X és Y alakú képződmények) azonban csupán a sejtek osztódási fázisában alakul ki, és az örökítőanyag utódsejtekben történő egyenletes eloszlásában van szerepe. A sejtciklus egyéb szakaszaiban - amikor a sejtek növekednek, fejlődnek (differenciálódnak) - a DNS-molekulák többé-kevésbé lazább szerkezetet vesznek fel, kusza szövedéket alkotnak a sejtmag belsejében. Ilyenkor nyílik lehetőség a különböző gének ki-, illetve bekapcsolására, vagyis azoknak a folyamatoknak a kialakítására, amelyek a teljes sejt működését irányítják.

Vonalkód és leolvasás

A DNS állapota tehát folyamatosan változik: kromoszómákká való összetömörülése, illetve bizonyos kondenzált szakaszok fellazulása a sejt osztódását követően szigorúan szabályozott folyamat, amelynek kialakításában sokféle fehérje (és RNS-molekula) vesz részt. Ezek a DNS-készlettel együtt alkotják a kromatinállományt, amelynek két része van. Az egyik az úgynevezett heterokromatin, ami egy adott sejt élete folyamán sohasem lazul fel, így nem történhet róla információ-átírás. Genetikailag tehát inaktívnak tekinthetők, szemben az eukromatinnal, amely a sejt működéséhez szükséges információkat hordozza. Nyilvánvaló, hogy az átíródó információ sejttípusonként is változik, az adott sejt funkciójától függően.

A kromatinállomány összetömörülésének és fellazulásának mechanizmusa még nem igazán tisztázott. Sok kutató úgy véli, hogy a DNS-molekulákat összerendező fehérjék valamilyen jellel vannak ellátva, ami alapján egyéb fehérjekomplexek felismerik őket, és elősegítik a DNS kondenzálódását vagy épp fellazulását^1,2,3,4. A folyamat egy hasonlattal élve felfogható úgy, mint egy vonalkóddal ellátott csomagolás, ahol a fehérjék alkotják a csomagolóanyagot, a jelölés pedig a vonalkód, amit csak egy speciális dekódoló rendszer, ez esetben az adott fehérjekomplex képes értelmezni.

Teljes betömörítés

A DNS-készlet (genom) "becsomagolásának", azaz a kromoszómákká való összetömörülésnek fontos képviselői az úgynevezett hisztonfehérjék. Első lépésként a DNS a hisztonokra tekeredve úgynevezett nukleoszómákat hoz létre, aminek következtében a hosszú DNS-fonal gyöngyfüzérszerű képletet alkot. Ez a kromatinfibrillum. Ezután a nukleoszómák egymáshoz kapcsolódva valahogyan feltekercselik a kromatinfibrillumokat, majd utolsó lépésként egy állványzatszerű fehérje szerkezeten az egész struktúra sugárirányú hurkolódásokon megy keresztül. A folyamat végére a DNS-készlet eredeti hosszánál akár nyolcezerszer kisebbé alakulhat.

A létrejött struktúra annyira összetömöríti a DNS-t, hogy az általa kódolt génekhez semmiféle génaktiváló vagy -deaktiváló ágens nem képes hozzáférni. Mint a fentiekben már utaltunk rá, génátírás csak azokon a szakaszokon mehet végbe, ahol ez a tömör szerkezet fellazul. A kutatók szerint a kromatin fellazulásának a hisztonok lehetnek kulcsfontosságú elemei. Ezek a fehérjék ugyanis két részből állnak: van egy feji végük (amely köré a DNS feltekeredik), és egy farki, ami különböző kémiai jeleket viselve egyéb, a genetikai információ használatát irányító fehérjékkel alakíthat ki kölcsönhatásokat⁵. Ezek a kölcsönhatások a kémiai jelölésektől (metil-, foszfát- vagy acetilcsoportok leadása, illetve felvétele) függően lehetnek - a kromatinstruktúra fellazulását tekintve - serkentő vagy gátló hatásúak.

A hiszton-farkakkal kapcsolatot létesítő fehérjéket összefoglaló néven kromatin-regulátoroknak (irányítók) nevezik, mert a genetikai információ felhasználását irányítják⁵. A regulátorfehérjék is rendelkeznek egy speciális szakasszal - például úgynevezett bromo- vagy kromodoménekkel10 -, amelyek a hisztonokkal kialakított kapcsolat létrehozásában fontosak. Ezek a hiszton-farkak acetil- vagy metil-jelöléseit ismerik fel^5,6. E jelzések egyik fontos példája a H3 jelű hisztonfehérje farki végén lévő háromszoros metilációs jel (H3K4me3), amely minden aktív gén "védjegye".

Aktuális kutatások

Tavaly néhány kutatócsoportnak sikerült némi bepillantást nyernie abba, hogy a fent említett háromszoros metilációs jel valójában hogyan is képes hozzájárulni a génaktivációhoz^7,8,9. Kimutatták, hogy az úgynevezett nukleoszóma-remodellező faktorok közé tartozó CHD1 jelű regulátor fehérje a kromodoménjén keresztül azokhoz a nukleoszómákhoz kötődik, amelyek hiszton-farkai hordozzák H3K4me3 jelet. A nukleoszóma-remodellező faktorok olyan enzimek, amelyek kötődésük révén leszakítják a hisztonokat a DNS-ről. Az így szabaddá váló DNS szakaszokról immár lehetővé válik a gének átírása.

A kutatók ezen túlmenően azt feltételezik, hogy CHD1 a hisztonokon kívül egyéb fehérjékkel - például hiszton-acetiltranszefrázokkal - is kapcsolatokat alakít ki, amelyek ezáltal megjelölik a hisztonokat egy plusz acetilcsoporttal, s ez a jelölés hozzájárulhat további regulátorok H3K4-metiljelekhez történő toborzásához⁸.

Valószínűleg az egész folyamat beindítását transzkripciós faktorok indítják meg. A transzkripciós faktorok (TF) olyan fehérjék, amelyek a DNS meghatározott részéhez kötődve az adott gének ki- illetve bekapcsolását végzik. A TF hozzákötődik egy kromatin-regulátorhoz. Miután a CHD1 a regulátor (illetve általa egyéb fehérjék) közvetítésével fellazította a kompakt kromatinállományt, szabaddá válik az út a TF számára: immár semmi sem gátolja hozzákapcsolódását az adott DNS-szekvenciához, s megtörténhet a gén aktiválása vagy gátlása.

További feltételezések szerint egyéb metilációs jelek is részt vesznek a felbontandó kromatinrészletek meghatározásában. Ebben a hiszton-metiltranszferáz-komplexeknek (HMT) van szerepe, amelyek metilációs jelekkel látják el az adott hiszton-farkakat. Tehát egy kromatin-regulátor és a HMT létrehoz egy acetil-metil-mintázatot a megfelelő hisztonvégződéseken, s sok kutató szerint már ez a mintázat is elegendő - TF hiányában is - az adott régió kicsomagolásához.

Wysocka és munkatársai1 békák embrionális fejlődésének tanulmányozásakor megfigyelték, hogy a nukleoszóma-remodellező faktorok közé tartozó NURF a BPTF nevű alegységével kötődik a H3K4me3-hoz. A BPTF-en keresztül történő génaktiváció nélkülözhetetlen a békák egyedfejlődéséhez, s ha valamely defektus ezt a kapcsolatot meggátolja, az embriogenezis is hibát szenved.

A BPTF különlegessége ezen felül, hogy nem tartalmaz kromodomént, így felmerült a kérdés: hogyan létesít kapcsolatot a kromatinnal? Részletes molekuláris analízisek szerint ún. PHD-ujj motívumokat tartalmaz. Ezek jól ismert szerkezetek, amelyeket két darab cinkatom koordinál. Gyakran fordulnak elő kromatin-regulátorokban¹¹, de a funkciójukat pontosan még nem azonosították. Valószínű azonban, hogy a PHD-ujjak metilált hiszton-farkakhoz való vonzódása általános jellemvonás, mert egy másik kutatócsoport - Shi és kollégái² - is beszámoltak hasonló megfigyelésekről. Egy tumorszupresszor fehérje (tumorok kialakulását gátló fehérje), az ING2 PHD-ujjainak vizsgálatakor mutattak ki nagyfokú preferenciát a H3K4me3 irányába.

Az ING2 tumorszupresszor fehérje - az előzőekkel ellentétben - a gének aktivációjának szempontjából gátló jeleket közvetít. A kromatinhoz való kapcsolódása során hiszton-deacetiláz enzimet (HDAC) "visz magával", ami eltávolítja a közeli acetilációs jeleket. Ezzel gátolja a további regulátorok kromatinhoz való kötődését, azaz elősegíti a kompakt struktúra fennmaradását, amelyben így a gének represszált állapota megőrződik.

A fentebb jellemzett BPTF, illetve az ING2 is preferáltan köt a négyes pozícióban metilált lizinhez (H3K4me3-ban). Az egyéb metiljelek nem tesznek lehetővé kölcsönhatást a kromatin és e regulátorfehérjék (illetve fehérjerégiók) között. Ennek a jelenségnek az okát kutatták Li³ és Pena⁴ kollégáik segítségével, akiknek a PHD-ujjak szerkezetén keresztül sikerült bemutatniuk a preferencia a lényegét.

A regulátorfehérjék felszínén lévő PHD-ujjak zsebszerű szerkezet formájában jelennek meg. Ebbe a zsebbe csupán kisméretű molekularészletek illeszkednek pontosan. A H3 hiszton farki végén négyes pozícióban lévő metilált lizil-oldallánc (H3K4me3) mérete megfelel a zseb befogadó-képességének, ám a távolabbi csoportok ehhez már túl nagy egységet képeznek. Ezen felül a metil-felismerés további szükséges kritériuma, hogy a metilált csoport környékén a fehérjét felépítő egyéb aminosavak között legyen kettő-négy aromás szerkezetű is. Ez teremt - elektrosztatikus tulajdonságai révén - megfelelő mikrokörnyezetet (hidrofób) a folyamat végbemeneteléhez^3,4,10. Általánosan elmondható tehát, hogy a PHD-ujjak azokat a metilált oldalláncokat ismerik fel, amelyek mérete megfelel az általuk alkotta zseb méretének, illetve amelyek körül megfelelő mennyiségű aromás oldalláncú aminosav helyezkedik el.

A kutatások jelenlegi állása alapján tehát a hisztonfehérjék metilációs mintázata egymagában nem képes meghatározni a nukleoszómák közötti kölcsönhatásokat (in vivo megfigyelések alapján). Valószínűleg többfajta jel és többféle regulátorfehérje együttműködése szükséges a kromatinstruktúra átalakításához. Feltételezik például, hogy a BPTF PHD-ujja együttműködik egy szomszédos bromodoménnel, s ezáltal egy kombinált metil-acetil felismerés történik3. Fontos megemlíteni még, hogy az összes, fentebb ismertetett regulátorfehérje működése kiegészül DNS-szekvencia-specifikus fehérjék (transzkripciós faktorok) működésével.

Régebben úgy vélték, hogy a metilációs jelek alkotják a kromatinállomány átrendezését irányító regulátorok elsődleges célpontjait. A fentiek alapján azonban valószínűsíthető, hogy szerepük csupán a regulátorok gyülekezésének elősegítése a kondenzált DNS megfelelő pontjainak környékére.

Itt tart ma a tudomány annak felderítésében, hogy vajon a gének mikor és hogyan juthatnak érvényre az élő szervezetekben. Az elmondottak egyelőre nem válaszolják meg ezeket a kérdéseket, ám reményteli kiinduló pontul szolgálhatnak a genetikai információ felhasználásához vezető út titkainak feltárására.

Az összeállítás a Nature 2006. július 7-i számában megjelent cikk alapján készült (Gene regulation: A finger on the mark; Peter B. Becker).

A cikkben hivatkozhott források:

1. Wysocka, J. et al. Nature 442, 86-90 (2006). | Article |
2. Shi, X. et al. Nature 442, 96-99 (2006). | Article |
3. Li, H. et al. Nature 442, 91-95 (2006). | Article |
4. Pena, P. V. et al. Nature 442, 100-103 (2006). | Article |
5. Schreiber, S. L. & Bernstein, B. E. Cell 111, 771-778 (2002). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
6. Turner, B. M. Cell 111, 285-291 (2002). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
7. Sims, R. J. III et al. J. Biol. Chem. 280, 41789-41792 (2005). | Article | PubMed | ChemPort |
8. Pray-Grant, M. G. , Daniel, J. A. , Schieltz, D. , Yates, J. R. III & Grant, P. A. Nature 433, 434-438 (2005). | Article | PubMed | ISI | ChemPort|
9. Flanagan, J. F. et al. Nature 438, 1181-1185 (2005). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
10. Huang, Y. , Fang, J. , Bedford, M. T. , Zhang, Y. & Xu, R. M. Science 312, 748-751 (2006). | Article | PubMed | ChemPort |
11. Bienz, M. Trends Biochem. Sci. 31, 35-40 (2006). | Article | PubMed | ChemPort |
12. Wysocka, J. et al. Cell 121, 859-872 (2005). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |