UNIVERSITY PARK, Pensylwania — Nowe badania dają wgląd w to, w jaki sposób enzym, który pomaga regulować starzenie się i inne procesy metaboliczne, uzyskuje dostęp do naszego materiału genetycznego w celu modulowania ekspresji genów w komórce. Zespół kierowany przez naukowców z Penn State stworzył obrazy enzymu sirtuiny związanego z nukleosomem – ciasno upakowanym kompleksem DNA i białek zwanych histonami – pokazując, w jaki sposób enzym porusza się po kompleksie nukleosomu, aby uzyskać dostęp zarówno do DNA, jak i białek histonowych, i wyjaśnia, jak to działa u ludzi i innych zwierząt.

Artykuł opisujący wyniki ukazał się 14 kwietnia w czasopiśmie Science Advances.

Sirtuiny to rodzaj enzymu występującego w organizmach, od bakterii po ludzi, które odgrywają ważną rolę w starzeniu się, wykrywaniu uszkodzeń DNA i tłumieniu guzów w różnych nowotworach. Ze względu na te zróżnicowane role firmy farmaceutyczne badają swój potencjał w zastosowaniach biomedycznych. Wiele wysiłku skupiono na zdolności niektórych sirtuin do zmniejszania ekspresji genów poprzez usuwanie flagi chemicznej z białek histonowych.

„W naszych komórkach DNA nie jest nagie, jak widzimy to w podręcznikach; jest nawinięty wokół białek zwanych histonami w dużym kompleksie zwanym nukleosomem” – powiedział Song Tan, profesor biologii molekularnej Verne M. Willaman w Penn State i autor artykułu. „To opakowanie może również dostarczać sygnałów do włączania lub wyłączania genów: dodanie chemicznej flagi„ acetylowej ”do materiału opakowaniowego histonów włącza gen, podczas gdy usunięcie flagi acetylowej wyłącza gen. Sirtuiny mogą wyciszyć aktywność genów poprzez usunięcie flagi acetylowej z histonów upakowanych w nukleosomach. Zrozumienie, w jaki sposób sirtuiny wchodzą w interakcję z nukleosomem w celu usunięcia tej flagi, może pomóc w przyszłych wysiłkach na rzecz odkrywania leków”.

Poprzednie badania koncentrowały się na tym, jak sirtuiny oddziałują z krótkimi segmentami histonów w izolacji, po części dlatego, że takie peptydy „ogonowe” histonów są znacznie łatwiejsze do pracy w laboratorium. Według Tan, nukleosom jest sto razy większy niż typowe peptydy histonowe stosowane w tych badaniach, w związku z czym praca z nim jest znacznie bardziej skomplikowana.

„Zwizualizowaliśmy enzym sirtuiny o nazwie SIRT6 na jego fizjologicznie istotnym substracie – całym nukleosomie” – powiedział Jean-Paul Armache, adiunkt biochemii i biologii molekularnej w Penn State oraz autor artykułu. „Odkryliśmy, że SIRT6 oddziałuje z wieloma częściami nukleosomu, nie tylko z histonem, w którym ma zostać zmodyfikowana flaga acetylowa”

Korzystając z potężnego rodzaju obrazowania zwanego mikroskopią krioelektronową z instrumentami w Penn State Cryo-Electron Microscopy Facility, National Cancer Institute i Pacific Northwest Cryo-EM Center, naukowcy zidentyfikowali, w jaki sposób SIRT6 pozycjonuje się na nukleosomie w celu usunięcia grupa acetylowa z pozycji K9 na histonie o nazwie H3. Kontynuacja eksperymentów biochemicznych – we współpracy z laboratorium Craiga Petersona z University of Massachusetts Chan Medical School – pomogła potwierdzić ich wyniki.

Naukowcy odkryli, że SIRT6 wiąże się z nukleosomem za pomocą typu połączenia zwanego „kotwicą argininową”. Ten rodzaj wiązania – opisany przez laboratorium Tan w 2014 roku – jest używany przez różne białka, które celują w szczególnie kwaśną plamę na powierzchni nukleosomu. W tym przypadku cecha strukturalna SIRT6, zwana rozszerzoną pętlą, wpasowuje się w zagłębienie w kwaśnym obszarze, podobnie jak rura w rowie.

„Kotwica argininowa jest powszechnym paradygmatem określającym, ile białek chromatyny oddziałuje z nukleosomem” – powiedział Tan. „Kiedy zmutowaliśmy kotwicę argininową SIRT6, aktywność w pozycji K9 została poważnie naruszona, wspierając krytyczną rolę kotwicy argininowej SIRT6. Co zaskakujące, ta mutacja wpłynęła również na aktywność enzymatyczną SIRT6 w innej pozycji, K56, znajdującej się znacznie dalej”.

Zamiast wiązania SIRT6 z nukleosomem na dwa różne sposoby, aby uzyskać dostęp do dwóch różnych pozycji histonów, możliwe jest, że SIRT6 wiąże się, aby uzyskać dostęp do K9 w sposób, który może również zapewnić dostęp do K56.

„SIRT6 wiąże się z częściowo rozpakowanym nukleosomem, z DNA przesuniętym z końca nukleosomu” – powiedział Armache. „To odsłania pozycję K56 i możliwe jest, że SIRT6 mógłby zasadniczo pochylić się, aby osiągnąć tę pozycję. Chcielibyśmy zweryfikować tę hipotezę w przyszłości. Mamy również nadzieję zbadać, jak SIRT6 działa wraz z innymi enzymami i lepiej zrozumieć jego rolę w odpowiedzi na uszkodzenia DNA”.

Oprócz Tana, Armache’a i Petersona, zespół badawczy w Penn State obejmuje doktorantów Un Seng Chio, Othmana Rechiche i Jiang Zhu oraz doktoranta Erika Leitha. W skład zespołu badawczego UMass Chan Medical School wchodzą również Alysia Bryll i Jessica Feldman. Badania te były wspierane przez amerykańskie Narodowe Instytuty Zdrowia i Departament Zdrowia Pensylwanii z funduszy Tobacco CURE.