Память иммунных клеток может храниться в складках ДНК

Память иммунных клеток может сохраняться в самой пространственной организации ДНК. Исследователи обнаружили, что после первого иммунного сигнала хромосомы макрофагов образуют новые контакты, которые сохраняются даже после исчезновения сигнала. Благодаря этому при следующем воздействии некоторые гены отвечают значительно сильнее.

Особенно любопытным оказался один ген, отвечающий за производство важного участника воспаления. После первого сигнала его активность практически не изменилась. Не обнаружилось и заметных изменений привычных эпигенетических меток. Но когда сутки спустя клетки получили второй сигнал, ген включился гораздо активнее.

След первого воздействия удалось обнаружить в трёхмерной структуре генома.

Более тысячи новых контактов за сутки

В работе, опубликованной в PNAS, исследователи изучали макрофаги мышей — иммунные клетки, которые поглощают микроорганизмы, удаляют клеточный мусор и координируют воспалительные реакции.

Сначала на них в течение 24 часов воздействовали интерлейкином-4 (IL-4). Это сигнальный белок иммунной системы, который переводит макрофаги в определённое функциональное состояние.

Затем IL-4 удаляли, давали клеткам сутки отдыха и исследовали, какие изменения сохранились.

Оказалось, что за время первого воздействия в геноме сформировалось 1155 новых петель хроматина. Из них 460, то есть около 40%, сохранялись после удаления сигнала. Ещё 345 контактов становились наиболее выраженными уже после его исчезновения.

Чтобы понять, почему это важно, нужно вспомнить, как устроена ДНК в клеточном ядре.

Хромосома — не прямая нить. Она многократно складывается, образуя петли, благодаря которым участки ДНК, удалённые друг от друга на десятки тысяч нуклеотидов, могут оказаться рядом.

Это особенно важно для регуляции генов.

У каждого гена есть участок, с которого начинается считывание информации, — промотор. Другие участки, называемые усилителями, могут повышать активность гена. Пространственная укладка ДНК позволяет сближать усилители с нужными промоторами и тем самым влиять на работу генов.

IL-4 перестраивал именно такие контакты.

Ген молчит, но уже готов к следующему сигналу

Самый показательный пример — ген Il6. Он кодирует интерлейкин-6, важный регулятор воспаления.

После воздействия IL-4 активность этого гена не увеличивалась. Исследователи также не обнаружили заметных изменений доступности ДНК или привычных эпигенетических меток в соответствующей области.

Зато изменилась геометрия.

Промотор Il6 сблизился с регуляторным участком, расположенным примерно в 64 тысячах нуклеотидов от него. Образовавшаяся петля сохранилась после удаления IL-4.

Когда клетки позднее подвергли действию бактериального компонента — липополисахарида, запускающего воспалительный ответ, — Il6 активировался сильнее.

Получалось, что первый сигнал заранее изменил расположение регуляторных участков, хотя сам ген ещё не начал работать активнее.

Для проверки причинной роли этих изменений авторы использовали CRISPR, нарушив работу соответствующего регуляторного участка. После вмешательства усиленный ответ Il6 на последующий сигнал ослабевал.

Аналогичные эксперименты с другим геном, F10, показали, что для усиления последующего ответа необходимы как определённые регуляторные участки, так и элементы, участвующие в организации хроматиновых петель.

Новый уровень клеточной памяти

Изменения формы генома затрагивали гораздо больше одного гена.

После предварительного воздействия IL-4 исследователи обнаружили усиленный ответ сотен генов на различные вторичные сигналы: бактериальный компонент, интерферон-гамма и дексаметазон.

В случае бактериального компонента усиленный ответ наблюдался у 849 генов.

Принципиальная особенность работы заключается в том, что пространственная перестройка генома иногда происходила без обнаруживаемых изменений активности генов, доступности хроматина или модификаций гистонов.

Ранее именно такие эпигенетические изменения считались одними из основных механизмов клеточной памяти.

Теперь к ним добавляется ещё один уровень — трёхмерная архитектура хромосом.

Есть существенные ограничения. Эксперименты проводили преимущественно на макрофагах мышей, полученных из костного мозга. Память прослеживали в течение суток после удаления первого сигнала. Пока неизвестно, насколько долго сохраняются такие петли в организме и какую роль они играют в хроническом воспалении или заболеваниях человека.

Кроме того, при редактировании регуляторных участков исследователи одновременно могли нарушать их собственную активность и пространственные контакты. Полностью разделить эти два эффекта пока не удалось.

Но один результат уже установлен экспериментально: иммунная клетка способна сохранить след предыдущего сигнала в пространственной организации своего генома и использовать эту перестройку при следующем воздействии.

Иногда для подготовки к будущему ответу клетке достаточно заранее сблизить нужные участки ДНК.