Развитие мозга человека отрегулировали два белка с цинковыми пальцами

У человека в первые дни эмбрионального развития в клетках, чьи потомки войдут в состав будущего головного мозга, экспрессируются белки ZNF417 и ZNF587, сообщается в Science Advances. Также они активны в некоторых областях центральной нервной системы взрослых индивидов. У млекопитающих, которые не относятся к приматам, ZNF417 и ZNF587, по-видимому, не вырабатываются. В экспериментах на культурах клеток и мини-мозгах (органоидах мозга) эти белки «заглушали» определенные регуляторные последовательности ДНК и тем самым влияли на то, какие нейромедиаторы будут выделять нейроны, и предотвращали ряд воспалительных реакций в этих клетках.

В геноме человека и многих других организмов масса мобильных генетических элементов (МГЭ) — участков ДНК, способных вырезаться из одного места на хромосоме и встраиваться в другое либо копироваться (и тогда копия переносится на новое место, но и оригинал остается). Некоторые МГЭ со временем становятся оседлыми, но по-прежнему несут ряд отличительных признаков «кочующей» ДНК. Это, к примеру, обилие сайтов связывания факторов транскрипции, то есть участков, с которыми могут провзаимодействовать белки-регуляторы активности различных генов.

И активация транскрипции определенного гена, и ее подавление могут вызвать существенные изменения в работе клеток и целых органов, поэтому деятельность мобильных генетических элементов бывает необходимо заглушить. Этим занимаются, в частности, KRAB-белки с цинковыми пальцами — фрагментами особой формы, позволяющей связывать ионы цинка. «KRAB» в данном случае обозначает Krüppel associated box, и это тоже одна из разновидностей структурного мотива в составе молекулы белка.

Изученные KRAB-белки с цинковыми пальцами так быстро эволюционировали, что заметно отличаются даже у близких видов. Предполагается, что это связано с напряженной «гонкой вооружений» между этими белками и МГЭ, но есть и другая гипотеза: возможно, KRAB-белки с цинковыми пальцами нужны для тонкой видоспецифической регуляции активности генов, и более того, для такой регуляции они кооперируются с мобильными генетическими элементами.

Дидье Троно (Didier Trono) из Федеральной политехнической школы Лозанны и его коллеги уже нашли подтверждения этой гипотезы: в 2019 году они показали, что ряд KRAB-белков с цинковыми пальцами активен в эмбриональных стволовых клетках человека в первые недели внутриутробного развития: они подавляют работу энхансеров, встроенных в мобильные генетические элементы и предназначенных для усиления экспрессии ряда «стационарных» генов. Теперь те же ученые рассмотрели, как KRAB-белки с цинковыми пальцами взаимодействуют с МГЭ в специализированных клетках взрослых организмов, в частности в нейронах.

Эксперименты проводили на культурах клеток линии NCCIT, ведущих своё происхождение от тератокарциномы взрослого японца, и на органоидах (миниатюрных живых моделях мозга), которые получились из потомков эмбриональных стволовых клеток человека H1-hESC. В эти клетки вводили вещества для дезактивации KRAB-белков ZNF417 и ZNF587. То, что нужно ингибировать именно их, выяснили в предыдущих исследованиях.

Кроме этих веществ, в клетки запускали лентивирусные векторы с зеленым флуоресцентным белком, который «светился» только когда активны определенные энхансеры в составе мобильных генетических элементов — именно те, активность которых, согласно предыдущим опытам, угнетают ZNF417 и ZNF587. Таким образом, зеленую флуоресценцию можно было видеть лишь если нужные KRAB-белки инактивированы.

Так выяснили, что ZNF417 и ZNF587 в норме активны не только в эмбриональных стволовых клетках, но и в их полностью специализированных производных. В зрелых дифференцированных нейронах эти KRAB-белки с цинковыми пальцами влияют на то, какие нейромедиаторы клетки могут вырабатывать, и предотвращают реакции интерферон-подобного ответа, которые могли бы возникнуть при активации мобильных генетических элементов, а также активацию нейротоксичных белков ретровирусов. Дело в том, что некоторые МГЭ по структуре похожи на ретровирусы, и, вероятно, когда-то ими и были, поэтому ряд их свойств напоминает вирусные, а реакция организма на их активацию — противовирусный ответ.

KRAB-белки с цинковыми пальцами не только подавляют мобильные генетические элементы: спектр их взаимодействия шире, и эти структуры дополняют друг друга. Вместе они направляют развитие мозга у эмбриона и регулируют его функционирование у взрослого человека. Ортологи (белки со сходными функциями, которые разошлись в процессе эволюции у разных видов) ZNF417 и ZNF587 обнаружены у обезьян Старого и Нового Света, но не у мышей. Таким образом, эти молекулы могут выполнять в мозге приматов какие-то функции, которые у остальных млекопитающих ничем не обеспечиваются, и тем самым обеспечивать нервной системе человека и его ближайших родственников некие уникальные свойства.

Еще интересно, что МГЭ, упомянутые в работе, могут играть роль в развитии рассеянного и (или) бокового амиотрофического склероза, а значит, результаты исследования можно применить в разработке методов лечения или как минимум в изучении этих заболеваний.

Белки с цинковыми пальцами нередко выступают в качестве редакторов генома в природных условиях и лабораторных экспериментах. К примеру, геномы самых умных моллюсков — головоногих — отличаются от ДНК прочих мягкотелых главным образом генами, кодирующими белки с цинковыми пальцами, активными в нервной системе. При этом головоногие часто редактируют свою ДНК и перекодируют РНК (но не обязательно с участием ZFP). А в медицине белки с цинковыми пальцами пробовали использовать для лечения одной из форм мукополисахаридоза: заменяли с их помощью дефектные копии гена идуронат-2-сульфатазы на нормальные.

Светлана Ястребова