Биологи и инженеры расшифровывают следующую границу за пределами геномики
Команда биологов и инженеров из Принстона значительно повысила скорость и точность измерения загадочного класса белков, влияющих почти на все аспекты функционирования клеток и тканей. Новый метод предлагает долгожданный инструмент для изучения стволовых клеток, рака и других проблем фундаментальной важности для биологии и медицины.
Исследование позволяет учёным беспрецедентно изучить особый класс белков — гистоны, которые находятся в ядре каждой хромосомы и контролируют выполнение инструкций, закодированных в ДНК. Несмотря на быстрый прогресс в понимании информации, закодированной в ДНК и генах, учёные достигли гораздо меньших успехов в расшифровке так называемого «гистонового кода», который определяет, почему один и тот же ген в разных клетках функционирует по-разному.
Техника сокращает в 100 раз время, необходимое для анализа гистонов, требует гораздо меньше образца и даёт более детальные результаты, чем существующие методы.
Исследователи опубликовали свои результаты в октябрьском выпуске журнала Molecular & Cellular Proteomics. Их статья была выбрана как «must-read» в Faculty of 1000 Biology — онлайн-журнале, отбирающем наиболее интересные статьи во всей биологии на основе мнений экспертов.
Несмотря на идентичную ДНК, все клетки организма не одинаковы — клетка почки выглядит и функционирует иначе, чем клетка мозга. Специализацию клеток делает возможной «эпигенетическая» информация, хранящаяся вне генов или ДНК. Ключевые игроки в этом процессе — гистоны, крошечные белковые структуры, вокруг которых оборачивается 6-футовая молекула ДНК, формируя хромосому.
Учёным давно известно, что гистоны приобретают множество небольших химических модификаций — небольших молекул, присоединённых в разных местах вдоль гистона. Тип и расположение этих модификаций могут регулировать близлежащие гены. Одиночные модификации могут включать или выключать гены, но что происходит при комбинации нескольких модификаций («гистоновый код») — остаётся загадкой.
Различение различных модифицированных форм гистонов было сложной задачей, поскольку несколько комбинаций разных модификаций могут иметь почти одинаковую массу. Два гистона с разными функциями могли казаться идентичными в обычных тестах, если у них одинаковый набор модификаций, но в разных местах молекулы.
Принстонская команда объединила физические, химические и математические методы для разделения вариантов гистонов. Сначала смесь гистонов пропускали через длинную тонкую трубку со специальным материалом, который заставляет разные формы гистонов выходить в разное время в течение 2–3 часов. Затем выбранные молекулы бомбардировали ионами, чтобы разбить их и направить поток данных в компьютерную программу для высокопроизводительного анализа.
Когда похожие гистоны разбиваются на мелкие фрагменты, различия в расположении модификаций становятся более очевидными. Компьютерный алгоритм, основанный на области математики — целочисленном линейном программировании, — многократно сравнивает все фрагменты, пока не выдаст точный список модификаций и их расположения.
Из многих миллионов возможных комбинаций модификаций в реальных человеческих клетках появляются лишь несколько сотен. Это наблюдение подразумевает, что комбинации этих относительно немногих модификаций формируют код, который теперь можно расшифровать.
Следующим шагом будет связывание конкретных паттернов модификаций с наблюдаемыми изменениями в клетках. Например, можно отслеживать соответствующие изменения в гистонах, когда нормальные клетки превращаются в раковые. Аналогично можно идентифицировать конкретные гистоновые коды, необходимые для превращения стволовых клеток в определённые типы тканей, такие как нервные клетки или клетки, производящие инсулин.
Для начала исследователи сотрудничают с биологами из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, чтобы идентифицировать гистоновые коды, важные для поведения стволовых клеток.