Человек и мышка ДНК с трудом читают

Ученые объяснили, почему все клетки разные и почему человек не похож на мышь

Надежда Маркина 28.03.2014, 08:20
От прочтения генома ученые движутся к его расшифровке iStockphoto
От прочтения генома ученые движутся к его расшифровке

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.

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

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.

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

«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».