Когда большинство людей задумываются о ДНК, в голове возникает образ генов, которые влияют на наши физические характеристики, поведение и обеспечивают функционирование клеток и органов. Однако только незначительная часть нашей ДНК – примерно 2 % – содержит более 20 000 генов. Оставшиеся 98 %, известные как некодирующий геном или «мусорная» ДНК, содержат многочисленные регуляторы, контролирующие, когда и в какой степени будут активированы гены.
Исследователи из Сиднейского университета определили Гены, регулирующие функционирование астроцитов — клеток мозга, которые поддерживают нейроны и участвуют в развитии болезни Альцгеймера.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Neuroscience, ученые из Школы, специализирующиеся на биотехнологиях и биомолекулярных науках, действуют при Университете Нового Южного Уэльса описали, как они протестировали почти 1000 потенциальных переключателей — участков ДНК, известных как энхансеры, — в астроцитах человека, выращенных в лабораторных условиях. Энхансеры могут располагаться очень далеко от гена, который они контролируют, иногда на расстоянии в сотни тысяч «букв» ДНК, что затрудняет их изучение.
Команда использовала CRISPRi, разработан метод, с помощью которого можно блокировать отдельные фрагменты ДНК без их физического разрезания, в сочетании с секвенированием РНК отдельных клеток, дающим возможность оценить активность генов в каждой клетке. Благодаря этому стало возможным одновременно оценить роль почти 1000 энхансеров.
«Для выключения потенциальных энхансеров в астроцитах и изучения влияния этого на экспрессию генов мы применили технологию CRISPRi», — рассказывает ведущий автор исследования доктор Николь Грин. «Когда мы наблюдали изменения в экспрессии, это указывало на то, что мы обнаружили функциональный энхансер, и мы могли установить, какой ген он регулирует. Таким образом, мы проверили около 150 потенциальных энхансеров. Оказалось, что многие из них контролируют гены, связанные с болезнью Альцгеймера».
Сужение списка кандидатов с тысячи до 150 подтвержденных регуляторных элементов существенно ограничивает области некодирующего генома, в которых исследователи должны выявлять генетические факторы, ответственные за развитие болезни Альцгеймера. Предварительные результаты указывают на то, что для определения функциональных энхансеров в обширном объеме некодирующей ДНК потребуются аналогичные исследования других типов клеток мозга.
Как отмечает Ирина Войняга, возглавлявшая исследование, полученные данные предоставили ученым перечень участков ДНК, способствующих пониманию результатов других генетических исследований. По ее словам, при поиске генетических изменений, объясняющих такие заболевания, как гипертония, диабет, а также психические и нейродегенеративные расстройства, в частности болезнь Альцгеймера, исследователи нередко выявляют изменения не в генах как таковых, а в межгенных областях.
Эти промежуточные фрагменты выступают в роли усилителей, и исследователи провели их тестирование непосредственно на клетках астроцитов человека, чтобы определить, какие из них оказывают влияние на ключевые гены мозга. «Мы пока не говорим о разработке терапевтических подходов. Но без понимания принципов взаимодействия это невозможно. Именно это и предоставляет нам данное исследование — более детальное представление о механизмах регуляции генов в астроцитах», – отметила Войнягу.
Проведение лабораторных испытаний почти тысячи энхансеров оказалось сложной и трудоемкой задачей. Это первый масштабный скрининг энхансеров с применением технологии CRISPRi в клетках мозга. Благодаря проделанной подготовительной работе, собранные данные можно использовать для обучения компьютерных программ, способных прогнозировать, какие из потенциальных энхансеров проявляют активность, что позволит сэкономить годы экспериментальной работы.
Учитывая, что некоторые энхансеры проявляют активность исключительно в конкретных типах клеток, их целенаправленное воздействие способно обеспечить прецизионный контроль над экспрессией генов в астроцитах, не затрагивая при этом нейроны или другие клетки мозга. «Несмотря на то, что данный подход еще не готов к использованию в клинической практике и требует значительных усилий для преобразования научных открытий в терапевтические методы, уже имеется положительный пример», – отмечает профессор Войнягу. «Первый препарат для редактирования генов, получивший одобрение для лечения заболевания крови – серповидноклеточной анемии, также нацелен на энхансер, специфичный для определенного типа клеток».
По словам доктора Грина, исследование ДНК-энхансеров представляет собой многообещающее направление в персонализированной медицине. Он отмечает: «Наша цель – более детально изучить эту область и определить, какие энхансеры способны активировать и деактивировать гены в конкретных типах клеток мозга, причем с высокой степенью точности».
[Фото: kjpargeter / Freepik.com]