Обнаружены гены, на поиск которых ушло 40 лет. Они формируют живой организм как он есть

Ученые-генетики сосредоточены на изучении сайленсеров — участков ДНК, которые играют важную роль в регуляции работы генов. На данный момент имеющихся знаний об этих последовательностях недостаточно. Команда ученых Научно-исследовательского института молекулярной патологии значительно продвинулась в их изучении с помощью новой методики, получившей название «Silencer-seq». Используя этот метод, они обнаружили сотни сайленсеров в геноме плодовой мушки.

Развитие здорового организма зависит от точной регуляции активности генов, то есть определения того, когда конкретные гены включаются или выключаются. Этот процесс имеет решающее значение для специализации клеток, направляя их к развитию в отдельные типы, такие как мышечные, нервные или кожные клетки, которые вместе образуют функционирующий организм.

Уже 40 лет ученым известны два типа последовательностей ДНК, ответственных за регуляцию генов: энхансеры и сайленсеры. Энхансеры действуют как активаторы, «включая» гены и усиливая их экспрессию, когда это необходимо. В отличие от них, сайленсеры действуют как репрессоры, «выключая» определенные гены для поддержания баланса и обеспечения правильного функционирования клеток.

В последние годы исследования энхансеров расширили их понимание, и институтская лаборатория Александра Старка добилась значительных успехов: от чтения их последовательностей ДНК и понимания их генно-регуляторных функций до создания с нуля энхансеров, специфичных для конкретной ткани.

Основная проблема заключается в поиске сайленсеров в геноме. Первый автор исследования Лорена Хофбауэр рассказала, что в последнее десятилетие ученые сосредоточились на картировании последовательностей, похожих на усилители, полагая, что сайленсеры — это просто усилители в обратном направлении.

Хотя было разработано несколько инструментов для изучения элементов со свойствами энхансеров, такая направленность привела к перекосу. Методы, специально разработанные для обнаружения сайленсеров на основе их генно-репрессивной функции, отстают, в результате чего эти генетические последовательности остаются незамеченными и малоизученными.

Исследователи из лаборатории Старка применили новаторский, непредвзятый подход к поиску сайленсеров в геноме плодовой мушки Drosophila melanogaster. Используя «silencer-seq», новый метод, разработанный для этой задачи, ученые обнаружили сотни сайленсеров, которые отличаются от традиционных профилей энхансеров, выявляя ранее скрытые регуляторные элементы в геноме.

Метод начинается с создания обширной библиотеки фрагментов ДНК, каждый из которых представляет собой небольшой участок генома плодовой мушки. Эти фрагменты, которые вместе представляют весь геном, соединяются с сильным энхансером, призванным стимулировать транскрипцию, если только фрагмент ДНК не выступает в роли сайленсера, активно подавляя этот процесс.

Полученные конструкции ДНК вводят в клетки плодовой мушки, где они взаимодействуют с механизмами транскрипции клеток. Активность каждого фрагмента оценивается путем мониторинга выхода мРНК-мессенджера (мРНК): фрагменты, подавляющие транскрипцию репортерного гена, приводят к незначительному или отсутствию продукции мРНК, что позволяет идентифицировать их как сайленсеры. Секвенируя мРНК, исследователи могут затем точно определить, какие геномные фрагменты обладают активностью сайленсинга.

Доступ к такой коллекции сайленсеров помог команде определить ключевые особенности, общие для этих регуляторных элементов. Ученые обнаружили три мотива факторов транскрипции — специфические последовательности ДНК, с которыми связываются факторы транскрипции, чтобы регулировать активность генов — индивидуально управляющие активностью сайленсеров. Один из этих мотивов, DLM3 (Drosophila Long Motif 3), был вычислительно обнаружен десять лет назад, но никогда ранее не был охарактеризован.

«Из обнаруженного нами очень интересно то, что DLM3 связан с ранее неизвестным фактором транскрипции: Saft или Silencer Associated Factor, — объясняет Хофбауэр. — Мы обнаружили, что Saft помогает выключать гены в мозге и яичниках, что имеет решающее значение для правильного развития и фертильности у мух».

Раньше сайленсеры было тяжело обнаружить, поскольку их искали через открытый хроматин (нуклеопротеид, составляющий основу хромосом — прим. ред.). В родном хроматине сайленсеров ДНК плотно упакована нуклеосомами. Однако исследователи продемонстрировали, что Saft может находить и связываться со своими целевыми мотивами даже в состоянии хроматина.

«Открытие роли Saft в регуляции генов помогает нам понять, как работают сайленсеры, и расширяет наше понимание механизмов, контролирующих идентичность и развитие клеток», — говорит Хофбауэр.

Ранее исследование определило гены и генетические варианты, увеличивающие риск эпилепсии. Хотя влияние генетических факторов на патологию давно известно, это открытие может привести к разработке новых подходов к лечению.