«Мусорная» ДНК может содержать новые подсказки о болезни Альцгеймера

Фото из открытых источников

Когда большинство из нас думает о ДНК, у нас есть смутное представление о том, что она состоит из генов, которые определяют наши физические особенности, особенности поведения и обеспечивают функционирование наших клеток и органов.

Но лишь крошечный процент нашей ДНК — около 2% — содержит примерно 20 000 генов. Остальные 98% — давно известные как некодирующий геном, или так называемая «мусорная» ДНК — включают в себя многие переключатели, которые контролируют, когда и насколько сильно экспрессируются гены.

Теперь исследователи из Сиднейского университета Нового Южного Уэльса идентифицировали ДНК-переключатели, которые помогают контролировать работу астроцитов — клеток головного мозга, поддерживающих нейроны и, как известно, играющих роль в болезни Альцгеймера.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Neuroscience, ученые из Школы биотехнологии и биомолекулярных наук UNSW описали, как они протестировали почти 1000 потенциальных переключателей — последовательности ДНК, известные как энхансеры, — в выращенных в лаборатории человеческих астроцитах. Энхансеры могут располагаться очень далеко от контролируемого ими гена, иногда на расстоянии сотен тысяч букв ДНК, что затрудняет их изучение.

Команда использовала CRISPRi — инструмент, позволяющий отключать небольшие участки ДНК без ее разрезания, — в сочетании с секвенированием РНК отдельных клеток, которое измеряет экспрессию генов в отдельных клетках. Такой подход позволил им одновременно протестировать функцию почти 1000 энхансеров.

«Мы использовали CRISPRi для отключения потенциальных энхансеров в астроцитах, чтобы посмотреть, изменится ли при этом экспрессия генов», — говорит ведущий автор исследования Николь Грин. «И если это происходило, то мы знали, что нашли функциональный энхансер, и могли определить, какой ген — или гены — он контролирует. Так случилось примерно со 150 потенциальными энхансерами, которые мы протестировали. И что поразительно, значительная часть этих функциональных энхансеров контролировала гены, участвующие в развитии болезни Альцгеймера».

Сокращение числа кандидатов с 1000 до 150 реальных переключателей значительно сужает область поиска в некодирующем геноме для получения подсказок о генетике болезни Альцгеймера.

Эти результаты свидетельствуют о необходимости проведения аналогичных исследований на других типах клеток головного мозга для выявления функциональных энхансеров в обширном пространстве некодирующей ДНК.

Профессор Ирина Войнеагу, руководившая исследованием, говорит, что результаты предоставляют исследователям каталог участков ДНК, который может помочь в интерпретации результатов других генетических исследований.

«Когда исследователи ищут генетические изменения, объясняющие такие заболевания, как гипертония, диабет, а также психические и нейродегенеративные расстройства, например, болезнь Альцгеймера, мы часто обнаруживаем изменения не столько внутри генов, сколько между ними», — говорит она.

Эти «промежуточные» области — это те самые энхансеры, которые ее команда теперь протестировала непосредственно на человеческих астроцитах, выявив, какие из них действительно контролируют важные гены мозга.

«Пока мы не говорим о методах лечения. Но их невозможно разработать, пока не поймешь принцип работы нейронных сетей. Именно это нам и дает данное исследование — более глубокое понимание механизмов контроля генов в астроцитах», - говорят ученые.

Тестирование почти тысячи энхансеров в лаборатории было кропотливой работой. И это первый случай проведения скрининга энхансеров с помощью CRISPRi в клетках головного мозга в таком масштабе. Но, поскольку подготовительная работа завершена, полученные данные можно использовать для обучения компьютерных инструментов прогнозированию того, какие потенциальные энхансеры являются истинными переключателями, что потенциально может сэкономить годы экспериментального времени.

«Этот набор данных может помочь специалистам по вычислительной биологии проверить, насколько хорошо их модели прогнозирования предсказывают функцию энхансеров», — говорит профессор Войнеагу.

По ее словам, команда DeepMind от Google уже использует этот набор данных для сравнения производительности своей недавно разработанной модели глубокого обучения под названием AlphaGenome.

Поскольку специфические энхансеры активны только в определенных типах клеток, воздействие на них может позволить точно контролировать экспрессию генов в астроцитах, не затрагивая нейроны или другие клетки головного мозга.

«Хотя до клинического применения пока еще далеко, и предстоит еще много работы, прежде чем эти результаты смогут привести к разработке методов лечения, существует явный прецедент», — говорит профессор Войнеагу. «Первый препарат для генной инженерии, одобренный для лечения заболевания крови — серповидноклеточной анемии, — нацелен на специфический для данного типа клеток усилитель».

Грин добавляет, что исследования усилителей ДНК являются многообещающим направлением в персонализированной медицине.

«Мы хотим более глубоко изучить этот вопрос: выяснить, какие энхансеры мы можем использовать для включения или выключения генов в одном типе клеток головного мозга, причем очень контролируемым образом», — говорит Грин.