Каждая клетка тела имеет одинаковую ДНК и гены, поэтому свойства и функции клетки определяются тем, какие гены включены. Вот почему так важно понимать энхансеры, короткие участки некодирующей ДНК, которые регулируют экспрессию определенных генов.
Энхансер не имеет прямой связи с геном, которым он управляет. Вместо этого энхансеров гораздо больше, чем генов, и их взаимосвязь неясна. Многие ли энхансеры регулируют экспрессию данного гена в данной ткани, обеспечивая избыточность? Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab) изучили этот вопрос и общую важность усилителей для развития в двух недавних исследованиях..
Исследователи ответили на давний вопрос о роли энхансеров. И, лучше связывая геномный набор организма с его выраженными характеристиками, их работа предлагает новые идеи, которые способствуют развитию области системной биологии, которая стремится получить прогнозное понимание живых систем.
Идеальная сохранность
В своем новом исследовании, опубликованном в журнале Cell, команда исследовала энхансеры, содержащие «ультраконсервативные элементы», которые имеют длину не менее 200 пар оснований и на 100% идентичны в геномах человека, мыши и крысы. Ультраконсервативные элементы прекрасно сохранились на протяжении более 80 миллионов лет, поскольку у этих млекопитающих был общий предок.
Ранее группа по отдельности удалила четыре ультраконсервативных энхансера мозга в геноме мыши. Все четыре линии мышей были жизнеспособны и плодовиты, что шокировало исследовательское сообщество геномиков и эволюционной биологии, которые считали, что эти энхансеры имеют решающее значение для жизни, поскольку они были так прекрасно сохранены..
«В нашем последующем исследовании мы хотели копнуть глубже, чтобы проверить два возможных объяснения», - сказала Дайан Дикель, научный сотрудник отдела экологической геномики и системной биологии лаборатории Беркли. «Во-первых, возможно, между этими энхансерными последовательностями есть некоторая избыточность, и потеря двух из них приведет к тому, что мыши станут нежизнеспособными или бесплодными. Во-вторых, возможно, у мышей действительно что-то не так, но это более тонко».
В новом исследовании команда использовала инструмент редактирования генов CRISPR-CAS9 для дальнейшего изучения энхансеров рядом с геном Arx, дефекты которых вызывают неврологические расстройства и расстройства полового развития у мышей и людей.«Мы сосредоточились на Арксе, потому что рядом с ним находится необычно большое количество очень длинных ультраконсервированных участков», - сказал Дикель, который руководил исследованиями вместе с Леном Пеннаккио и Акселем Визелем, старшими учеными того же подразделения.
В частности, они отключили четыре энхансера мозга Аркса, которые активны парами либо в верхней, либо в нижней части переднего мозга. Когда эти энхансеры были удалены по отдельности, все мыши были жизнеспособны и фертильны, что подтверждает, что ультраконсервативные энхансеры не являются необходимыми для жизни в данном поколении. Когда их удаляли в парах с аналогичной активностью, мыши оставались жизнеспособными и фертильными, что исключало избыточность как основное объяснение отсутствия серьезных дефектов при нокауте отдельных ультраконсервативных энхансеров..
Но были ли более тонкие дефекты мозга? Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи объединились с Джоном Рубинштейном, нейробиологом из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, который провел углубленное неврологическое фенотипирование.
В трех из четырех случаев с делецией только одного энхансера были обнаружены аномалии либо в общем росте, либо в развитии мозга. В одном случае у мышей был серьезный структурный дефект в гиппокампе. В другом случае у мышей было меньше холинергических нейронов.
«Изменения в мозгу у этих мышей напоминают изменения, наблюдаемые у людей с судорожными расстройствами или деменцией», - сказал Дикель. «Хотя мы еще не знаем, подвержены ли эти проблемы этим мышам, вполне вероятно, что физиологические изменения, которые мы обнаружили, были отобраны в дикой природе, и именно поэтому вы поддерживаете высокий уровень сохранения в этих местах».
Защитное резервирование
Хотя в геномах человека и мыши всего несколько сотен ультраконсервативных участков, существует также около 100 000 других, менее консервативных энхансеров. Дефекты, наблюдаемые при делеции отдельных ультраконсервативных энхансеров, поднимают вопрос, вызывает ли делеция менее хорошо консервативных энхансеров аналогичные проблемы. Дефекты - исключение или правило? Этот вопрос был изучен во втором исследовании под руководством постдокторанта Марко Остервальдера, которое сосредоточилось на усилителях для конечностей. Усилители конечностей были нацелены на то, чтобы конечности легко оценить, в отличие от неврологического фенотипирования.
Как сообщалось сегодня в журнале Nature, команда удалила десять энхансеров конечностей рядом с генами, необходимыми для развития конечностей. Они ожидали увидеть некоторые аномалии, но все десять линий мышей имели совершенно нормальные конечности.
Однако команда также наблюдала некоторые гены с двумя энхансерами, которые оказались активными одновременно во время развития конечностей. Когда команда отключила такие пары энхансеров конечностей с одинаковой активностью, они увидели такие характеристики, как дополнительные пальцы или различия в длине костей, что указывало на то, что эти энхансеры функционировали избыточно. «Это похоже на то, как у пилота и второго пилота в кабине есть дублирующие ручки управления», - объяснил Визел. «Любой из них может управлять самолетом, но у вас будут проблемы, если вы избавитесь от обоих ручек управления."
Чтобы определить, является ли наличие такой нормативной резервной системы обычным явлением, команда провела компьютерный анализ наборов геномных данных из разных тканей. Они определили, что гены, контролирующие центральные процессы в эмбриональном развитии, обычно снабжены наборами энхансеров, которые, вероятно, избыточны. В более чем 1000 крайних случаях они обнаружили наборы из пяти или более энхансеров с похожими паттернами активности, контролирующими один и тот же ген.
Несмотря на избыточность, эти энхансеры эволюционно законсервированы, что приводит ученых к предположению, что разрушение этих энхансеров все еще может вызывать некоторое снижение приспособленности в дикой природе, даже если оно настолько мало, что не может быть легко обнаружено в лаборатории.
«Мы не говорим, что эти усилители совершенно избыточны в том, что один или другой не важен, но скорее существует механизм защиты от вредных воздействий порядка данного поколения», - резюмировал Пеннаккио.«Отбор происходит на протяжении многих поколений».
В совокупности эти исследования демонстрируют различную важность избыточности энхансеров. «Геном - это большое место, - сказал Дикель. «Трудно вписать каждый отдельный локус в геноме в одну конкретную модель регуляции генов. Некоторые локусы имеют большую избыточность, чем другие».
Более широкие последствия
Сложными вопросами, подобными этим, занимается наука о биологических системах, где эти результаты могут быть использованы для понимания влияния генетических нарушений на унаследованные и выраженные характеристики в более широком контексте.
В конечном счете, команду интересует, способствуют ли энхансерные мутации развитию болезней человека. «Поскольку секвенирование всего генома человека стало реальностью, мы сосредоточились на изучении того, как мутации человека влияют на здоровье и развитие в естественных условиях», - сказал Пеннаккио.
Исследование, финансируемое Национальным институтом здравоохранения, проводилось в лаборатории Беркли и является естественным развитием работы, начатой Министерством энергетики и ставшей проектом «Геном человека».