Генетические паттерны выявляются на огромных выборках дрожжей

Ученые Принстонского университета разработали новый способ выявления скрытого генетического материала, ответственного за сложные признаки. Они полагают, что этот прорыв в конечном итоге может привести к более глубокому пониманию того, как множественные гены взаимодействуют, формируя всё — от голубых глаз до проблем с кровяным давлением.

В статье, опубликованной 15 апреля в журнале Nature, группа ученых под руководством Леонида Кругляка, профессора кафедры экологии и эволюционной биологии и Института интегративной геномики Льюиса-Сиглера, сообщает о разработке прямого метода для одновременного изучения миллионов дрожжевых клеток.

Их метод позволяет идентифицировать участки генома, вызывающие определенный признак у потомства двух скрещенных штаммов дрожжей. Используя такую большую группу, ученые смогли выявить тонкие паттерны, которые ранее обнаружить не удавалось.

«Одним из важных выводов исследований, ставших возможными благодаря секвенированию генома человека, является то, что связи между генами и большинством признаков очень сложны, а не очевидны, — сказал Кругляк. — Однако наши результаты показывают, что с помощью простых методов можно идентифицировать многие факторы, лежащие в основе сложных признаков».

Это открытие может помочь пролить свет на решение текущих трудностей, связанных с привязкой признаков к генам, известных как «проблема недостающей наследуемости».

Есть случаи, когда ученые идентифицировали мутации в единичных генах, которые производят конкретный признак, например, предрасположенность к муковисцидозу или болезни Хантингтона. Однако в большинстве случаев ученые полагают, что вариации признаков создаются большим количеством генов, работающих согласованно. Одни гены играют главную роль, другие более «тихие», но всё же важные. Ученые хотят знать все гены, участвующие в формировании данного сложного признака, но не могут найти эти группы, что и приводит к «проблеме недостающей наследуемости».

Кругляк входил в состав экспертной группы, созванной в прошлом году Национальным институтом исследования генома человека для обсуждения этой проблемы. Когда в 2003 году был завершен проект «Геном человека», была получена полная последовательность человеческой ДНК. Обсуждения в группе сосредоточились на идее, что, несмотря на крупные технологические достижения, ставшие возможными благодаря проекту, и исследования десятков тысяч людей, подавляющее большинство генетических факторов, ответственных за различия между индивидуумами, еще не найдено.

«Во многих случаях эффекты генов настолько малы, что обнаружить их крайне сложно, — сказал Иэн Эренрайх, научный сотрудник и первый автор статьи в Nature. — При использовании обычных методов у нас просто нет возможности идентифицировать многие из этих генов. Мы знали, что должны найти другой путь».

Описанный в статье метод — это «творческая адаптация существующей семейно-ориентированной методологии полногеномного поиска», сказала Инь Яо, руководитель программы молекулярной и генетической эпидемиологии в отделе нейронаук и фундаментальной науки о поведении Национального института психического здоровья. Она и Томас Ленер, руководитель отделения геномных исследований института, высоко оценили работу Кругляка, назвав его пионером в области статистической геномики.

Ученые в лаборатории Кругляка проводят эксперименты на таких организмах, как дрожжи, а также выполняют вычислительный анализ, чтобы понять, как изменения в ДНК формируются молекулярными и эволюционными силами. Они также изучают, как эти изменения приводят к наблюдаемым различиям между особями внутри вида. Для этого исследовательского проекта команда стремилась разработать процесс, который бы выявлял генетические ассоциации с наблюдаемыми признаками.

«Мы знаем, что в геноме человека около 20 000 генов, но я не могу попросить кого-нибудь указать мне, какие гены отвечают за большую часть вариаций в росте человека, например, потому что мы просто не знаем, — сказал Кругляк. — Основная цель того, что мы пытаемся сделать, — это и понять, насколько сложны эти паттерны, и попытаться привести конкретные примеры, где мы можем взять некоторые признаки и определить большинство вариаций, в отличие от обнаружения лишь небольшого процента».

Исследования на модельных организмах, таких как дрожжи, — как и на людях — не смогли обнаружить большую часть генов, которые, как считается, лежат в основе большинства сложных признаков. Поэтому Кругляк и его команда разработали метод, использующий выборку дрожжей, выходящую за рамки масштаба любых исследований на людях. Они скрестили два штамма дрожжей, получив около 10 миллионов потомков. Каждое из этих потомков было генетически уникальным, а не клоном.

Чтобы найти подмножество потомства, обладающее общим признаком, ученые выращивали потомство на химическом веществе, вызывающем разрывы ДНК, что убивало большинство клеток. Затем они секвенировали геномы нескольких тысяч дрожжей, которые выжили, чтобы увидеть, какие гены они унаследовали от каждого родителя.

Законы Менделя, объясняющие принципы наследственности, гласят, что большая часть генетического материала должна случайным образом наследоваться от одного или другого родителя по аналогии с подбрасыванием монетки — половина клеток должна иметь гены одного родителя, половина — другого. Но в местах расположения генов, защищающих дрожжи от химического вещества, у большинства клеток должен быть генетический материал от родителя с версией гена, обеспечивающей большую устойчивость.

Геномы выживших дрожжевых клеток помещали на крошечные чипы и сканировали на автоматизированных лабораторных машинах — процесс, известный как генотипирование. Машины исследовали геном каждой дрожжевой клетки на предмет стратегически выбранных маркеров генетической вариации. Они обнаружили, что определенные генетические вариации встречаются у выживших дрожжей значительно чаще, что служит мощным указателем на области генома, где расположены гены, лежащие в основе признака.

Ученые повторили этот эксперимент с другими химическими веществами, токсичными для большинства дрожжей, снова и снова ища смещенные паттерны генетического наследования. Каждый раз им удавалось локализовать области генов, указывающие на конкретные признаки, что подтверждало работоспособность метода.

«Это действительно стало результатом сочетания наличия технологий для точного генотипирования и возможности одновременно исследовать такое большое количество особей», — сказал Эренрайх.

Далее команда намерена использовать полученную информацию об областях генов и маркерах для тонкой настройки метода и идентификации конкретных генов, связанных с каждым признаком, а также для расширения метода на многие другие штаммы дрожжей.

Детлеф Вайгель, директор Института биологии развития Общества Макса Планка в Германии, уже видит дополнительные области применения этой техники. «Новая работа доктора Кругляка и его коллег прекрасно демонстрирует, как новые технологии секвенирования революционизируют генетику, — сказал он. — Хотя работа была проведена на дрожжах, я убежден, что ее можно легко распространить на любой другой генетически податливый организм, включая сельскохозяйственные культуры».