Исследование на дрожжах показывает, как взаимодействие множества генов влияет на неожиданный клеточный результат

Большинство заболеваний сложны — вызваны нарушениями в нескольких генах. Однако изучение того, как комбинации различных генетических вариантов влияют на клеточные признаки, является сложной задачей. Новое исследование команды Фредерика Рота, опубликованное сегодня в журнале Cell Systems, использует пекарские дрожжи в качестве модельной системы для демонстрации нового подхода к пониманию того, как гены могут взаимодействовать неожиданным образом.

Предыдущие исследования в клетках дрожжей командами из Donnelly Centre показали, как гены взаимодействуют парами и комбинациями по три, с учетом почти всех 6000 генов в геноме дрожжей.

Теперь Рот, профессор молекулярной генетики и компьютерных наук в Donnelly Centre for Cellular and Biomolecular Research и старший научный сотрудник в Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute при Sinai Health System в Торонто, хотел пойти дальше и исследовать, как работают вместе более крупные группы генов.

Он решил сосредоточиться на группе из 16 генов, кодирующих белки, известные как ABC-транспортеры, которые выводят токсины и отходы из клеток. ABC-транспортеры находятся на поверхности клетки и связаны с лекарственной устойчивостью.

Команда Рота разработала общую стратегию, X-gene Genetic Analysis (XGA), для понимания влияния нарушения работы множества различных комбинаций генов. Чтобы продемонстрировать подход, они создали более 5000 штаммов дрожжей, каждый из которых лишен случайного подмножества из 16 генов ABC-транспортеров, и протестировали способность каждого штамма расти при воздействии панели из 16 различных лекарств.

Ожидалось, что для любого данного лекарства удаление генов ABC-транспортеров либо не сделает ничего, либо сделает дрожжи более чувствительными к нему. В случае с флуконазолом, противогрибковым препаратом первой линии, удаление гена PDR5 делало клетки высокочувствительными к флуконазолу. Это было ожидаемо, поскольку известно, что транспортер PDR5 выкачивает флуконазол.

Но в некоторых случаях удаление транспортера усиливало, а не снижало устойчивость клеток к лекарству. Например, при удалении гена SNQ2 клетки становились более устойчивыми к флуконазолу. Еще более удивительно, что были примеры, когда удаление более крупных наборов транспортеров имело синергетический эффект, приводя к гипер-устойчивым к лекарствам клеткам.

По мере того как исследователи удаляли определенные гены транспортеров из дрожжей, клетки росли лучше, пока штамм, лишенный четырех генов, не стал расти в два раза быстрее, чем «здоровый» штамм, содержащий все гены. Когда известный экспортер флуконазола, PDR5, был удален, клетки снова стали чувствительными к флуконазолу. Это говорит о том, что эти четыре транспортера обычно «ставят тормоза» на PDR5, так что его активность возрастает по мере удаления большего количества этих генов. Однако как это происходит, было неясно.

Основываясь на всем известном об этих генах, Альби Целай, постдок в лаборатории и ведущий автор статьи, разработал вычислительную модель «нейронной сети», показывающую, что четыре гена могут подавлять PDR5 по крайней мере двумя разными способами. Команда Рота в сотрудничестве с командой Игоря Стагльяра, также профессора в Donnelly Centre, подтвердила эту модель. Они показали, что четыре гена служат как для снижения количества транспортера PDR5, производимого клеткой, так и для того, чтобы транспортеры SNQ2 и YOR1 могли напрямую связываться с PDR5, предлагая потенциальный прямой механизм репрессии активности транспортера PDR5.

Рот надеется, что другие группы также будут использовать стратегию XGA, которую можно применять к другим наборам генов и потенциально к человеческим клеткам, чтобы попытаться распутать другие сложные комбинации генетических эффектов.

Помимо новых представлений о взаимодействиях генов высшего порядка, результаты также раскрывают молекулярные механизмы, с помощью которых клетки могут приобретать лекарственную устойчивость, что имеет значение для разработки новых методов лечения.