Биологический «Розеттский камень» приближает ученых к расшифровке того, как строится тело

Гены Hox — это участки ДНК в геноме всех животных, от муравья до человека. Они выступают архитекторами тела, хранят его чертежи и диктуют, как эмбрион превращается во взрослую особь, включая расположение головы, ног и других частей тела.

Ученые давно ищут способы расшифровать, как гены Hox создают эту карту тела. Международная группа исследователей из Колумбийского университета и Испанского национального исследовательского совета (CSIC) нашла один из таких ключей: метод, позволяющий систематически определять роль каждого гена Hox в развивающейся плодовой мушке (Drosophila). Результаты, опубликованные в Nature Communications, открывают новый путь для понимания критически важного процесса, который лежит в основе не только роста и развития, но также старения и болезней.

«Геном, содержащий тысячи генов и миллионы букв ДНК, — самый сложный код из когда-либо написанных, — говорит Ричард Манн, доктор философии, соавтор статьи. — Расшифровать его было так сложно, потому что эволюция писала его урывками на протяжении сотен миллионов лет. Наше исследование предлагает ключ к взлому этого кода».

Гены Hox очень древние и есть у всех видов животных, даже у примитивных медуз. У плодовых мушек восемь генов Hox, а у человека — 39. Эти гены производят специальные белки — факторы транскрипции, которые вместе с кофакторами Hox связываются с различными участками ДНК и включают или выключают многие другие гены в нужное время.

«Поскольку эти гены задействованы во многих аспектах развития, было невероятно сложно изолировать отдельные гены Hox и проследить их активность во времени», — отмечает Джеймс Кастелли-Гайр Хомбрия, доктор философии, соавтор статьи.

Удача улыбнулась исследователям, когда они обнаружили у развивающейся мушки небольшой участок регуляторной ДНК под названием vvI1+2. Он был активен в клетках по всему телу личинки, и, что удивительно, на него влияли все восемь генов Hox мушки.

«Повсеместная распространенность сегмента vvI1+2 в сочетании с тем, что каждый ген Hox взаимодействует с ним, сделала его идеальной системой для изучения всего семейства генов Hox», — поясняет Карлос Санчес-Хигерас, доктор философии, первый автор статьи.

Ученые использовали сложный компьютерный алгоритм No Read Left Behind (NRLB), разработанный лабораторией Манна. Этот алгоритм с высокой точностью определяет места связывания факторов транскрипции с ДНК, даже если эти сайты связывания очень слабые. Анализ показал точную «дорожную карту» сайтов связывания Hox в участке vvI1+2.

Затем, комбинируя генетические манипуляции in vivo на эмбрионах мух с биохимическим и компьютерным анализом, исследователи смогли систематически и с беспрецедентной точностью манипулировать активностью мишеней Hox.

«Теперь у нас была отправная точка для систематической расшифровки регуляции генов Hox, — говорит доктор Хомбрия, — своего рода Розеттский камень, помогающий расшифровать генетику развития тела».

Полученные результаты особенно перспективны, потому что их можно применить ко всему геному. Принципы, по которым гены Hox регулируют vvI1+2, могут объяснить, как они регулируют и другую ДНК, не только у плодовых мушек, но и у позвоночных, включая млекопитающих и человека.

«Хотя в генах Hox еще много неизвестного, наша работа — значительный шаг вперед, — заключает доктор Санчес-Хигерас. — Эти усилия помогут пролить свет на то, как вся система работает вместе в растущем эмбрионе и как она способствует развитию болезней».