Наше представление о ДНК часто сводится к набору генов, которые определяют наши черты, поведение и поддерживают работу клеток. Однако гены составляют лишь малую часть генетического кода – около 2% от всех 20 000 генов. Остальные 98% долгое время считались так называемой «мусорной» ДНК, или некодирующим геномом. Именно в этой большей части расположены многие управляющие переключатели, определяющие, когда и насколько активно будут работать гены.
Недавно исследователи из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW Sydney) сделали важное открытие, выявив ДНК-переключатели, которые регулируют работу астроцитов – клеток мозга, поддерживающих нейроны и играющих ключевую роль в развитии болезни Альцгеймера. Это исследование, опубликованное 18 декабря в журнале Nature Neuroscience, стало результатом работы команды Школы биотехнологии и биомолекулярных наук UNSW.
Ученые протестировали почти тысячу возможных переключателей в выращенных в лаборатории человеческих астроцитах. Эти переключатели представляют собой участки ДНК, известные как энхансеры. Энхансеры могут располагаться на значительном расстоянии от генов, на которые они влияют, иногда на сотни тысяч «букв» ДНК, что усложняет их изучение. Для решения этой задачи исследователи объединили метод CRISPRi, способный отключать небольшие участки ДНК без их разрезания, с односеквенсированием РНК отдельных клеток, измеряющим активность генов в каждой клетке. Этот подход позволил команде за один масштабный эксперимент проанализировать влияние почти тысячи энхансеров.
Доктор Николь Грин, ведущий автор исследования, поясняет: «Мы использовали CRISPRi, чтобы «отключить» потенциальные энхансеры в астроцитах и посмотреть, изменится ли экспрессия генов. Если это происходило, мы понимали, что нашли функциональный энхансер, и могли определить, какой ген, или гены, он контролирует». Примерно для 150 из протестированных потенциальных энхансеров результат был положительным. Что особенно важно, значительная часть этих функциональных энхансеров контролировала гены, связанные с болезнью Альцгеймера. Сокращение списка из 1000 кандидатов до примерно 150 подтвержденных переключателей существенно сужает область поиска генетических подсказок, связанных с болезнью Альцгеймера, в некодирующем геноме. Полученные результаты подчеркивают необходимость аналогичных исследований в других типах клеток мозга, чтобы выявить функциональные энхансеры в обширном пространстве некодирующей ДНК.
Профессор Ирина Войнягу, руководившая исследованием, отмечает, что эти результаты служат ценным ориентиром для интерпретации других генетических исследований. Они создают каталог областей ДНК, который поможет объяснить данные изысканий, направленных на поиск генетических изменений, связанных с различными заболеваниями. Профессор Войнягу подчеркивает: «Когда ученые ищут генетические изменения, объясняющие такие заболевания, как гипертония, диабет, а также психические и нейродегенеративные расстройства, к примеру, болезнь Альцгеймера, мы часто обнаруживаем изменения не столько внутри генов, сколько между ними». Ее команда напрямую протестировала эти «промежуточные» участки в человеческих астроцитах и показала, какие именно энхансеры действительно контролируют ключевые гены мозга. «Мы еще не говорим о терапевтических методах. Но их невозможно разработать, не понимая сначала «схему проводки», – добавляет она. – Именно это нам и дает наше исследование – более глубокое представление о схеме контроля генов в астроцитах».
Проведение почти тысячи тестов энхансеров в лаборатории потребовало кропотливых усилий. Исследователи отмечают, что это первый случай, когда скрининг энхансеров такого масштаба с использованием CRISPRi был выполнен в клетках мозга. Теперь, когда основная работа сделана, полученный набор данных может быть использован для обучения компьютерных моделей. Это позволит прогнозировать, какие из предполагаемых энхансеров являются настоящими генными переключателями, что потенциально сэкономит годы лабораторной работы. Профессор Войнягу сообщает, что команда DeepMind из Google уже использует этот набор данных для тестирования своей недавней модели глубокого обучения AlphaGenome.
Поскольку многие энхансеры активны только в определенных типах клеток, воздействие на них может обеспечить способ точной настройки экспрессии генов в астроцитах без изменения нейронов или других клеток мозга. Хотя это еще далеко от клинического применения и предстоит много работы, чтобы эти открытия привели к новым методам лечения, прецедент уже есть. Профессор Войнягу приводит пример: первый препарат для редактирования генов, одобренный для лечения заболевания крови – серповидноклеточной анемии, – воздействует на клеточно-специфический энхансер. Доктор Грин добавляет, что исследования энхансеров могут стать важной частью прецизионной медицины. «Мы хотим глубже изучить, какие энхансеры мы можем использовать для включения или выключения генов в конкретном типе клеток мозга и очень контролируемым образом», – заключает она.
