Человек и мышка ДНК с трудом читают

Ученые впервые выяснили, как работают одни и те же гены в разных клетках человека и мыши. Российский участник проекта Fantom биоинформатик Всеволод Макеев рассказал «Газете.Ru» о задачах работы и о том, как она велась.

Основная загадка жизни

Прочтение последовательности букв в геноме человека еще не дает понимания того, как работает геном. Это не расшифровка генома, а, наоборот, зашифрованный текст, смысл которого мы пока не понимаем. Основная интрига заключается в том, что все клетки организма имеют одну и ту же ДНК, в которой содержится информация о кодировании определенных белков. Но клетки разных тканей разные, мышечные клетки не похожи на нервные или на клетки крови. В процессе развития каждый организм проходит путь от оплодотворенной яйцеклетки до взрослой особи и при этом все время меняется, а геном — нет. Очевидно, что работа генов неодинакова в разном месте и в разное время.

В том, как это все регулируется, — в этом и состоит основная загадка жизни.

Генетики заархивировали людей

Сделан важный шаг к пониманию работы генома и к персонализированной медицине: ученые секвенировали РНК в пяти популяциях людей и получили картину... →

В последнее десятилетие усилия ученых были направлены на то, чтобы последовательно приближаться к пониманию того, как работает геном. О большом шаге в этом направлении рассказано в двух статьях последнем выпуске журнала Nature, где опубликованы результаты исследований в рамках программы Fantom. Название этой программы расшифровывается как Functional ANnoTation Of Mammals — функциональная характеристика генома млекопитающих. Она была инициирована в 2000 году японскими учеными из Центра технологий наук о жизни RIKEN. Выполнение программы включает несколько этапов, и сейчас ученые публикуют результаты пятого этапа. В международном консорциуме участвуют более 250 ученых из 114 институтов из 20 стран, в том числе и российские специалисты из Института общей генетики РАН. Помимо двух ключевых статей в Nature результаты исследований про проекту Fantom 5 опубликованы также в 16 статьях в других научных журналах.

Принципы работы генома универсальны что для мыши, что для человека — именно эти представители млекопитающих стали основными объектами исследований. У человека и мыши примерно один и тот же набор генов, в то же время мы совсем не похожи на мышь. Все дело в том, что гены человека регулируются по-другому, чем гены мыши. Ученые убедились в этом, нанеся на карту эти регуляторы и сравнив, как они работают у одного и другого вида.

«Исследования дают нам взгляд на то, почему человек отличается от других животных, при том что мы разделяем с ними большую часть генов, — говорит Мартин Тэйлор из Института генетической и молекулярной медицины Эдинбургского университета. — Сравнение атласа человека и мыши показывает, что в процессе эволюции произошел значительный перемонтаж связей между регуляторами».

Человек тоже различен в разных тканях. Секрет того, что клетки печени не похожи на клетки крови, опять же в том, что в них работают разные гены.

А каким генам работать, каким — нет, зависит от регуляции.

Регуляторы генов

Генетика меняет человека

Важные решения без полной экспертизы принимаются и в США. Ученые подсчитали, что потребительские генетические тесты приносят гораздо больше пользы... →

Основные регуляторы работы генома — это так называемые промоторы и энхансеры. Промотор — это последовательность нуклеотидов, которая дает старт для транскрипции — первого этапа работы гена, когда на участке ДНК по принципу комплементарности синтезируется матричная РНК. Сигнал к этому возникает, когда промотор узнается ферментом РНК-полимеразой. Энхансер — это умножитель работы гена, последовательность нуклеотидов, которая может располагаться вовсе не рядом с геном, а где-то довольно далеко. Но, действуя через определенные белки, энхансер может в несколько раз увеличить транскрипцию того или иного гена.

Определить расположение в геноме этих регуляторов — промоторов и энхансеров — очень сложная задача, которая может быть решена только усилиями большого консорциума. Эта задача и решалась в программе Fantom. Например, ученые из Института Рослина Эдинбургского университета создали атлас регуляторов генной активности при развитии мышц и костей.

Исследователи использовали специальную технику под названием Cap Analysis of Gene Expression (CAGE), созданную в центре RIKEN. Она позволила проследить за активностью промоторов и энхансеров более чем в 180 типах клеток человека.

Ученым удалось идентифицировать в геноме 180 тыс. промоторов и 44 тыс. энхансеров.

Они нашли, что регуляция транскрипции в очень большой степени специфична для каждого типа клеток.

Российские ученые в Fantom

В консорциум проекта Fantom 5 входит команда российских биоинформатиков из Института общей генетики РАН. Об этой работе «Газете.Ru» рассказал доктор физико-математических наук Всеволод Макеев, заведующий отделом ИОГен РАН, координатор российской группы.

— Как давно вы участвуете в проекте?
— Мы присоединились к консорциуму Fantom в 2011 году, на этапе Fantom 5. Когда стало возможно получать данные для большого количества тканей, руководители проекта привлекли биоинформатиков со всего мира. Получая доступ к уникальным данным до того, как они будут опубликованы, биоинформатики, в свою очередь, предлагали методы обработки данных и идеи, которые можно проверить этими методами.

— Как организована ваша работа?
— Все данные лежат на серверах, мы их скачиваем и анализируем, и это можно делать, находясь в Москве.

Генетики почистили неандертальца

Проблема, с которой часто сталкиваются генетики при анализе ДНК древних людей и животных, — контаминация — решена: ученые нашли метод... →

Мы используем для этого мощные компьютеры на факультете биоинженерии и биоинформатики МГУ и у себя в ИОГене.

— А какие конкретные задачи перед вами стояли?
— Мы исследовали активность регуляторных участков генома и белков — транскрипционных факторов, которые с этими белками взаимодействуют. Над этим работали пять групп, причем это большая часть всех исследовательских групп в мире, которые решают эти задачи. В результате удалось составить атлас активности регуляторных белков в разных клетках — это около 1500 белков. Но районы, в которых они взаимодействуют с ДНК, известны пока менее чем для половины регуляторов. Удалось также выявить роль химического изменения ДНК, так называемого метилирования, в связывании регуляторных белков с ДНК.

— Как шло развитие исследований от первого к пятому Fantom? И на каких объектах работали ученые?
— С 2000 года по крайней мере три раза менялась технология, и новые методы позволяли проводить все более широкие и точные исследования. А что касается объектов, изначально это была мышь, и буква «М» в аббревиатуре означала Mouse.

Сейчас это мышь и человек

— Чем отличается проект Fantom от проекта Encode, результаты которого не так давно были опубликованы?
— Главным образом тем, что мы анализировали не раковые линии, а нормальные клетки. С раковыми линиями проще работать, но они не всегда хорошо отражают процессы в нормальных клетках. Такой широкий анализ клеток нормальных тканей не проводился еще никогда. Благодаря этому появилась возможность понять, почему клетки тканей имеют такой клеточный тип, какой они имеют. Это важно и для регенеративной клеточной медицины — понять, как устроена дифференцировка клеток в тканях. И вообще это фундаментальный вопрос биологии.

— Есть ли уже понимание, почему клетки становятся разными и как работает геном?
— Сейчас мы более-менее понимаем, какие гены в каких клетках работают, причем это не обязательно гены, которые кодируют белки. Но более интересен вопрос, почему в какой-то ткани, допустим, включены 10 тыс. генов, а остальные не работают. Почему промоторы генов включаются и выключаются. Пока еще мы не понимаем этого настолько хорошо, чтобы мы могли этим процессом управлять, чтобы мы могли, скажем, конструировать регуляторные элементы, вставлять генно-инженерные последовательности в геном и говорить, что этот ген будет работать в таких-то тканях, а в таких-то тканях он работать не будет.

— А будет ли продолжение проекта?
— Да, сейчас опубликованы результаты первой стадии Fantom 5, а результаты второй стадии, вероятно, будут опубликованы в 2015 году. Обсуждаются и возможности дальнейшего продолжения проекта.

Осталось понять, как самолет летает

Гены лепят лицо

Генетики начали понимать, почему у разных людей разные лица, и близки к тому, чтобы найти мутации, приводящие к врожденным уродствам. →

«Мы являемся многоклеточными организмами, состоящими по меньшей мере из 400 типов клеток. Это замечательное разнообразие типов клеток позволяет нам видеть, думать, слышать, двигаться и сопротивляться инфекциям, при этом вся эта информация закодирована в геноме, одном и том же у всех клеток. Различия между клетками состоят в том, какую именно часть генома они используют. Например, в клетках мозга используются гены, которые не используются в клетках печени, и поэтому мозг и печень работают по-разному.

В рамках проекта Fantom 5 мы впервые выяснили, какие именно гены используются в каждой из клеток человеческого тела и какие участки генома этим управляют», — сказал доктор Алистер Форрест, сотрудник центра RIKEN, научный координатор проекта Fantom 5.

Особенность проекта в том, что он направлен на изучение нормальных, здоровых клеток, так называемых первичных, не измененных генетически, не раковых. Чтобы понять, как работает геном, нужно делать это в здоровых клетках. Но в дальнейшем эти же методы позволят изучить генную активность и в патологических клетках у пациентов с самыми разными заболеваниями, чтобы понять механизм поломки на молекулярном уровне.

Профессор Дэвид Хьюм, директор Института Рослина Эдинбургского университета, используя аналогию с самолетом, сказал: «Мы сделали скачок в понимании того, как работают отдельные детали самолета. И узнали довольно много о том, как они взаимодействуют между собой, чтобы в конечном счете понять, как самолет летает».

Источник - http://www.gazeta.ru/science/2014/03/28_a_5965657.shtml