Редкая врожденная мальформация вызвана эпигенетическим механизмом в ранее загадочных участках генома

Международная группа исследователей обнаружила редкое генетическое заболевание, характеризующееся тяжелыми мальформациями конечностей. Как сообщают ученые в журнале Nature, состояние вызвано новым эпигенетическим механизмом, затрагивающим последовательности генома с ранее неизвестной функцией. Этот процесс может объяснять причину и других врожденных заболеваний.

Международная команда из Берлина (Германия) совместно с генетиками из Лозанны (Швейцария) обнаружила новый механизм, вызывающий редкое генетическое заболевание и связанный с некодирующими последовательностями ДНК. Транскрипция некодирующего сегмента ДНК, расположенного вблизи гена развития engrailed-1 (En1), является ключевым фактором для активации этого гена. Ген En1 известен своими главными регуляторными функциями, отвечая за развитие конечностей, мозга, грудины и ребер. Исследование показывает, как процесс активации En1 контролируется именно в конечностях и как его нарушение вызывает ранее не описанные тяжелые врожденные мальформации конечностей.

Парадигма для редких заболеваний

«Я ожидаю, что существуют и другие врожденные заболевания со схожей причиной, которые просто ускользали от нашего внимания», — говорит Стефан Мундлос, руководитель исследовательской группы в Институте молекулярной генетики Макса Планка (MPIMG) в Берлине. «Более половины генетических заболеваний все еще остаются необъясненными, поэтому в изучении этого направления есть большой потенциал».

Три пациента, включенные в исследование, демонстрируют поразительный тип мальформации: их колени не ориентированы вперед, некоторые пальцы срослись, а ногти растут с обратной стороны пальцев. «Создается впечатление, что во время развития конечностей было утрачено различие между вентральной и дорсальной сторонами — то есть между ладонью и тыльной стороной», — поясняет Мундлос.

Клинические исследователи из Бразилии и Индии идентифицировали пациентов и отправили их образцы ДНК в команду Андреа Суперти-Фурги в Университете Лозанны. Там генетики обнаружили, что у всех трех пациентов отсутствует схожий небольшой участок некодирующей ДНК. Для дальнейшего изучения они объединились с лабораторией Мундлоса в Берлине.

Удаленный сегмент ДНК вызывает заболевание

В MPIMG ученый Лила Аллу занялась поиском молекулярной причины болезни. «В начале мы знали только, что у трех пациентов отсутствует похожий небольшой фрагмент ДНК. Но эта последовательность находилась в обширной "генной пустыне" — регионе между двумя генами, о котором мы ничего не знали».

Тем не менее, именно этот недостающий фрагмент был первопричиной расстройства, как выяснила Аллу с помощью мышиной модели. Используя технологию CRISPR-Cas, исследователь удалила соответствующую последовательность ДНК в геноме мыши. «Мыши с этой делецией в значительной степени воспроизвели проявления болезни. Результаты подтвердили, что мы нашли корень проблемы».

Дальнейшие исследования на эмбрионах мышей показали, что генетически модифицированные мыши утратили активность соседнего гена En1 именно в конечностях. Ген En1 известен своей важностью для развития на протяжении десятилетий, и его дисрегуляция, очевидно, вызывала заболевание. Но механизм того, как именно делеция сегмента ДНК приводит к потере экспрессии En1, оставался в тени.

Расшифровка некодирующего

Ученые обнаружили, что из региона, отсутствующего у пациентов, транскрибируется молекула РНК, которую они назвали Maenli (Master Activator of Engrailed-1 in the Limb). Этот сайт некодирующей РНК оказался ключом к разгадке. «Подобные транскрибируемые фрагменты возникают по всему геному. Трудно понять, какие из них важны, а какие нет. Многие ученые до сих пор считают их случайными молекулами, но в данном случае именно это привлекло наше внимание», — говорит Аллу.

Исследовательница изучила функцию некодирующей РНК, инактивировав ее транскрипцию. Мыши с инактивированным сайтом Maenli показали те же мальформации, что и мыши с делецией, что указывает на то, что причиной болезни действительно было отсутствие некодирующей транскрипции.

Более того, оказалось, что для активации гена развития En1 важна не столько сама молекула РНК, сколько ее транскрипционная активность. После того как Аллу заменила транскрибируемый фрагмент совершенно другой последовательностью, мыши все еще были поражены, но в меньшей степени, чем при полной инактивации Maenli. Таким образом, для активации гена En1 было достаточно иной генетической экспрессии на этом сайте — хотя и в меньшей степени, чем исходной последовательности.

Больше сюрпризов в неизвестном

Детальный механизм, с помощью которого транскрибируемый фрагмент активирует ген En1, является предметом текущих исследований в лаборатории Мундлоса. Тем не менее, последствия новых открытий уже обширны: «Наши результаты затрагивают научные области генетики человека, исследований РНК, развития и регуляции генов», — говорит исследователь.

«С точки зрения развития мы определили новый ключевой эпигенетический механизм, который решает, какие клетки дадут начало вентральной (ладонной) стороне конечностей во время развития», — добавляет Аллу. «Но я считаю, что эта работа имеет более широкое влияние на диагностику пациентов с потенциалом решения других загадок редких генетических заболеваний».

«Более 90% генетических вариантов обнаруживаются в некодирующей части генома, но их очень трудно интерпретировать для диагностических целей. Наша работа ясно показывает, что информация, которую до сих пор игнорировали при интерпретации генетических вариантов, может иметь решающее значение для понимания молекулярной причины заболеваний», — говорит она. Чтобы помочь разгадать другие нерешенные случаи, будет критически важно учитывать все доступные генетические и эпигенетические данные, включая те, которые ранее считались неважными. «То, что мы считаем недостойным внимания, на самом деле может содержать ответ на важные открытия».