Индивидуальные особенности клетки определяются экспрессией генов, то есть преобразованием наследственной информации в конечный продукт — РНК или белок. Экспрессироваться могут и гены, кодирующие белки, и некодирующие элементы генома, которые регулируют его работу. Относительно недавно было показано, что экспрессируются и энхансеры — регуляторные последовательности ДНК, которые «улучшают» работу гена независимо от расстояния до него и независимо от своей ориентации. Последовательность энхансеров считывается РНК-полимеразой II, которая транскрибирует энхансер в обоих направлениях. Помимо такой двунаправленной транскрипции для энхансеров характерны определенные метки хроматина, а также повышенная чувствительность к ДНКазе I. Такая чувствительность к ДНКазе вообще свойственна последовательностям ДНК, которые «живут полной жизнью»: если с участком ДНК часто связываются белки, на нем меньше нуклеосом, и ферменту легче его расщепить. По этим трем свойствам (двунаправленной транскрипции, особым меткам хроматина и повышенной чувствительности к ДНКазе) определяют энхансеры в составе ДНК.

Активность энхансеров перед активацией гена ранее была продемонстрирована для ограниченного числа пар «энхансер—ген». Чтобы понять, насколько это явление общее и распространенное, был затеян большой проект, в ходе которого изучили несколько десятков клеточных линий мышей и человека [1]. Набор линий включал в себя и дифференцирующиеся, и уже специализированные клетки. В клетках запускали изменения, которые должны были повлиять на экспрессию генетического материала — клеткам, способным к дифференцировке, добавляли ее индукторы, а на уже специализированные воздействовали факторами роста. Данные об экспрессии генов собирали в десятке временных точек для каждой линии. В результате в клетках мышей было найдено 158 966 промоторов и 44 459 энхансеров, а в клетках человека — 201 802 промотора и 65 423 энхансера. В человеческих клетках также обнаружили 55 626 потенциальных альтернативных промоторов, благодаря работе которых с одного и того же гена могли считываться разные РНК. Активность большей части исследованных промоторов значительно варьировала как минимум в одной из исследованных клеточных линий. Но лишь 13% энхансеров у людей и 20% у мышей существенно изменяли свою экспрессию хотя бы в одной из линий. Такие результаты, в общем, не вызывают удивления, потому что активность гена регулируется многими механизмами, а не только активностью энхансеров.

Основываясь на полученных данных, удалось выделить несколько классов ответов, общих для разных клеточных линий (рис. 1). РНК энхансеров в большем количестве обнаруживалась в классах с быстрым и ранним пиками ответа. Промоторы генов транскрипционных факторов (ТФ-промоторы) обычно активировались позже энхансеров, а РНК таких генов преобладала в классах позднего и длинного ответов. Прочие промоторы (не-ТФ-промоторы) наибольшую активность проявляли в классе позднего постепенного ответа. Получается, что на внешние стимулы раньше всего откликаются энхансеры, затем активируются гены транскрипционных факторов, и позже всего реагируют остальные гены. Интересно, что лишь немногие промоторы и энхансеры (8,5 и 5,1% соответственно) показывали ответ одного и того же класса в двух или более клеточных линиях. То есть классы ответов выделить можно, а вот отнести генетический элемент к тому или иному типу, как правило, нельзя, потому что в зависимости от линии или вида воздействия он может реагировать на стимулы по-разному.

Определив, где именно находились транскрибируемые в разные моменты времени участки ДНК, ученые обнаружили, что те же закономерности действуют и локально: если рассматривать находящиеся поблизости энхансер, промотор транскрипционного фактора и промотор другого гена, то первым в ответ на стимул, скорее всего, транскрибируется энхансер, затем активируется промотор гена транскрипционного фактора, а уже после — прочие промоторы. Для генетических элементов внутри топологического домена (области ДНК, элементы которой преимущественно взаимодействуют между собой, а не с элементами других доменов [2]) результаты были такими же. Кроме того, внутри топологического домена генетические элементы одного типа (энхансеры или промоторы) чаще демонстрировали ответ одного класса. Такие данные говорят в пользу существования относительно изолированных топологических доменов ДНК, которые представляют собой относительно независимую в плане регуляции активности единицу генома.

Ранее было показано, что РНК, которая считывается с энхансера, может способствовать привлечению РНК-полимеразы на промотор [3]. В рассматриваемом эксперименте «вспышка» транскрипции энхансеров в ответ на воздействие часто была кратковременной. Видимо, для работы промотора постоянная активность энхансера не требуется, а роль его РНК сводится в общем случае к помощи в сборке инициаторного комплекса на промоторе. В случаях, когда энхансер все же экспрессировался продолжительное время параллельно с геном, его РНК, возможно, выполняла дополнительные функции (недавно было показано, что энхансерная РНК может способствовать элонгации транскрипции [4]).

Литература

1. Arner E., Daub C.O., Vitting-Seerup K., Andersson R., Lilje B., Drablos F. et al. (2015). Transcribed enhancers lead waves of coordinated transcription in transitioning mammalian cells. Science. doi: 10.1126/science.1259418;
2. Dixon J.R., Selvaraj S., Yue F., Kim A., Li Y., Shen Y. et al. (2012). Topological domains in mammalian genomes identified by analysis of chromatin interactions. Nature. 485 (7398), 376–380;
3. Lam M.T.Y., Li W., Rosenfeld M.G., Glass C.K. (2014). Enhancer RNAs and regulated transcriptional programs. Trends Biochem. Sci. 39, 170–182;
4. Schaukowitch K., Joo J.Y., Liu X., Watts J.K., Martinez C., Kim T.K. (2014). Enhancer RNA facilitates NELF release from immediate early genes. Mol. Cell. 56, 29–42..