Степень, в которой ДНК в клетке физически открыта для связывания белков и регуляции генов.Доступность хроматина описывает, насколько участок ДНК доступен для белков, которые его считывают и регулируют. В клетке ДНК не голая: она намотана на белки-гистоны, образуя волокно, известное как хроматин. Там, где волокно плотно упаковано, ДНК в значительной степени скрыта, и аппарат, включающий гены, не может легко до неё добраться. Там, где волокно рыхлое, ДНК открыта, и регуляторные белки могут связываться. Таким образом, доступность — это мера открытости, а не того, включён ли ген на самом деле, — но эти два понятия тесно связаны, потому что ген, до которого нельзя добраться, нелегко активировать.
Это важно, потому что один и тот же геном присутствует в каждой клетке тела, однако клетка печени и нейрон ведут себя совершенно по-разному. Во многом это различие сводится к тому, какие области генома открыты в каждом типе клеток. Регуляторные элементы, такие как промоторы и энхансеры, располагаются в открытых областях; когда клетка меняет свою идентичность или отвечает на сигнал, картина открытых областей тоже меняется. Таким образом, доступность — один из главных уровней регуляции генов, находящийся между исходной последовательностью ДНК и конечным набором белков, которые клетка производит.
Измерение доступности по всему геному даёт карту того, какие части ДНК используются в данном образце. Сравнение карт между здоровой и больной тканью или между разными типами клеток показывает, какие регуляторные области активны и какие транскрипционные факторы, вероятно, там работают. Это сделало доступность хроматина стандартным показателем в исследованиях развития, рака и клеточной идентичности.
Идея о том, что структура хроматина контролирует активность генов, восходит к середине двадцатого века, когда исследователи заметили, что плотно упакованные области ядра транскрипционно молчаливы. Метод анализа чувствительности к ДНКазе, разработанный в 1970-х годах, стал первым практическим способом locate открытых областей. Метод ATAC-seq, сделавший картирование доступности по всему геному быстрым и дешёвым, был представлен Буэнростро и коллегами в 2013 году.
Открытость хроматина контролируется двумя основными механизмами. Во-первых, белки, называемые транскрипционными факторами, и ферментные комплексы, которые копируют ДНК в РНК, могут связываться только с ДНК, не плотно намотанной на гистоны, поэтому физическое состояние волокна создаёт барьер. Во-вторых, специализированные ферменты могут сдвигать, удалять или химически модифицировать гистоны, чтобы открыть или закрыть определённые области. Присоединение ацетильных групп к гистонам обычно ослабляет волокно; присоединение метильных групп может либо ослаблять, либо уплотнять его в зависимости от участка. Клетки используют эти модификации, чтобы открыть нужные им области и держать остальные закрытыми.
Экспериментально доступность измеряют, используя тот факт, что ферменты могут разрезать или метить открытую ДНК, но не ДНК, скрытую в хроматине. В распространённом методе, известном как ATAC-seq, фермент транспозаза встраивает секвенирующие метки в открытые области генома; меченые фрагменты затем секвенируют, и число прочтений в каждой позиции указывает, насколько доступной была эта область. Другие методы используют ферменты, разрезающие ДНК, например ДНКазу, аналогичным образом. Результатом является профиль открытых и закрытых областей по всему геному для данного образца.
Используется для картирования регуляторных элементов в разных типах клеток, для определения того, какие транскрипционные факторы определяют данное состояние клетки, и для сравнения открытых областей в здоровой и больной ткани в исследованиях рака и развития.
Только небольшая часть человеческого генома — часто несколько процентов — доступна в любом данном типе клеток в любой момент, поэтому карта открытости является сильным отпечатком клеточной идентичности.