Когда большинство из нас думает о ДНК, у нас возникает смутное представление о том, что она состоит из генов, которые определяют наши физические особенности, поведение и поддерживают работу клеток и органов. Но лишь крошечный процент нашей ДНК — около 2 % — содержит 20 000 с лишним генов. Остальные 98 % — так называемый некодирующий геном, или «мусорная» ДНК, — содержат множество переключателей, которые контролируют, когда и насколько активно экспрессируются гены.
Исследователи из Сиднейского университета определили ДНК-переключатели, которые помогают контролировать работу астроцитов — клеток мозга, поддерживающих нейроны и играющих роль в развитии болезни Альцгеймера.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Neuroscience, ученые из Школы биотехнологии и биомолекулярных наук Университета 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, инструмент, который позволяет отключать небольшие участки ДНК, не разрезая их, в сочетании с секвенированием РНК отдельных клеток, которое позволяет измерить экспрессию генов в клетках. Такой подход позволил одновременно проверить функцию почти 1000 энхансеров.
«Мы использовали технологию CRISPRi, чтобы отключить потенциальные энхансеры в астроцитах и посмотреть, изменится ли экспрессия генов», — говорит ведущий автор исследования доктор Николь Грин. «И если это происходило, мы понимали, что нашли функциональный энхансер, и могли определить, какой ген он контролирует. Так произошло примерно с 150 потенциальными энхансерами, которые мы протестировали. Поразительно, но значительная часть функциональных энхансеров контролировала гены, связанные с болезнью Альцгеймера».
Сокращение числа кандидатов с 1000 до 150 реальных переключателей значительно сужает круг областей некодирующего генома, в которых ученым нужно искать генетические причины болезни Альцгеймера. Полученные данные свидетельствуют о том, что необходимы аналогичные исследования других типов клеток мозга, чтобы выявить функциональные энхансеры в огромном массиве некодирующей ДНК.
По словам профессора Ирины Войнягу, руководившей исследованием, полученные результаты дают ученым каталог участков ДНК, которые помогут интерпретировать результаты других генетических исследований. «Когда ученые ищут генетические изменения, которые объясняют такие заболевания, как гипертония, диабет, а также психические и нейродегенеративные расстройства, например болезнь Альцгеймера, они часто обнаруживают изменения не столько в самих генах, сколько между ними», — говорит она.
Эти «промежуточные» участки являются энхансерами, которые команда протестировала непосредственно на астроцитах человека, чтобы выяснить, какие из них действительно контролируют важные гены мозга. «Мы пока не говорим о методах лечения. Но их нельзя разработать, пока не будет понята схема взаимодействия. Вот что дает нам это исследование — более глубокое понимание механизмов контроля генов в астроцитах», — добавила Войнягу.
Тестирование почти тысячи энхансеров в лаборатории было кропотливой работой. Это первый масштабный скрининг энхансеров с помощью технологии CRISPRi в клетках мозга. Теперь, когда подготовительная работа проделана, полученные данные можно использовать для обучения компьютерных инструментов, которые будут предсказывать, какие потенциальные энхансеры действительно работают, что сэкономит годы экспериментальных исследований.
Поскольку определенные энхансеры активны только в определенных типах клеток, воздействие на них может обеспечить точный контроль экспрессии генов в астроцитах без влияния на нейроны или другие клетки мозга. «Хотя этот метод еще далек от применения в клинической практике — и предстоит много работы, прежде чем открытия приведут к разработке методов лечения, — прецедент уже есть», — говорит профессор Войнягу. «Первый препарат для редактирования генов, одобренный для лечения заболевания крови — серповидноклеточной анемии, — нацелен на специфический для определенного типа клеток энхансер».
Доктор Грин добавляет, что изучение энхансеров ДНК — перспективное направление в прецизионной медицине: «Мы хотим углубиться в эту тему и выяснить, какие энхансеры можно использовать, чтобы включать и выключать гены в отдельных типах клеток мозга, причем делать это очень контролируемо».
[Фото: kjpargeter / Freepik.com]
