Недостающий генетический переключатель в основе эмбриональных пороков развития

Эмбриональное развитие следует деликатным стадиям: для успешного исхода многие гены должны координировать свою активность по очень тщательной схеме и в нужном темпе. Этот механизм точности иногда дает сбой, что приводит к более или менее серьезным порокам развития. Изучая ген Pitx1, один из генов, участвующих в формировании нижних конечностей, команда из Женевского университета (UNIGE) в Швейцарии обнаружила, как небольшое нарушение в процессе активации этого гена лежит в основе косолапости — распространенной деформации стопы.

Даже полностью функциональный ген не может работать правильно без одного из своих генетических переключателей. Эти короткие последовательности ДНК дают сигнал для транскрипции ДНК в РНК и необходимы для этого механизма. Когда отсутствует всего один такой переключатель, доля клеток, в которых ген активен, уменьшается, что мешает правильному формированию нижних конечностей. Эти результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, подчеркивают до сих пор в значительной степени недооцененную роль генетических переключателей в нарушениях развития.

Во время эмбрионального развития сотни генов должны быть точно активированы или подавлены для правильного формирования органов. Этот контроль активности направляется короткими последовательностями ДНК, которые, связываясь с определенными белками в ядре клетки, действуют как настоящие переключатели ВКЛ/ВЫКЛ. «Когда переключатель включен, он инициирует транскрипцию гена в РНК, которая, в свою очередь, транслируется в белок, способный выполнять конкретную задачу», — объясняет Гийом Андре, профессор кафедры генетической и развивающей медицины медицинского факультета UNIGE, руководивший исследованием. Без этого гены были бы постоянно включены или выключены и не могли бы действовать избирательно, в нужном месте и в нужное время.

Как правило, у каждого гена есть несколько переключателей, чтобы обеспечить надежность механизма. «Однако может ли потеря одного из этих переключателей иметь последствия? Именно это мы хотели проверить, взяв в качестве модели ген Pitx1, чья роль в формировании нижних конечностей хорошо известна», — говорит Ракель Роуко, постдокторант в лаборатории Гийома Андре и соавтор исследования.

Снижение клеточной активации, ведущее к косолапости

Для этого ученые модифицировали стволовые клетки мыши с помощью инструмента генной инженерии CRISPR-CAS 9, который позволяет добавлять или удалять определенные элементы генома. «Здесь мы удалили один из переключателей Pitx1, называемый Pen, и добавили флуоресцентный маркер, позволяющий визуализировать активацию гена», — объясняет Олимпия Бомпадре, докторант исследовательской группы и соавтор работы. «Затем эти модифицированные клетки агрегировали с эмбриональными клетками мыши, чтобы мы могли изучить их ранние стадии развития».

Обычно около 90% клеток в будущих ногах активируют ген Pitx1, а 10% клеток — нет. «Однако, когда мы удалили переключатель Pen, мы обнаружили, что доля клеток, не активирующих Pitx1, возросла с 10 до 20 процентов, чего было достаточно, чтобы изменить формирование костно-мышечной системы и вызвать косолапость», — объясняет Гийом Андре. Доля неактивных клеток особенно увеличилась в незрелых клетках нижних конечностей и в нерегулярной соединительной ткани — ткани, необходимой для построения костно-мышечной системы.

Тот же механизм у многих генов

Помимо гена Pitx1 и косолапости, ученые UNIGE обнаружили общий принцип, механизм которого может встречаться у большого числа генов. Таким образом, дефектные генетические переключатели могут лежать в основе многочисленных пороков развития или заболеваний. Более того, ген контролирует развитие не одного органа в теле, а обычно участвует в формировании целого ряда органов. «Нелетальный порок развития, такой как косолапость, может быть индикатором нарушений в других частях тела, которые, хотя и не видны сразу, могут быть гораздо опаснее. Если мы сможем точно интерпретировать действие каждой мутации, мы сможем не только прочитать информацию в геноме, чтобы найти первопричину порока, но и предсказать эффекты в других органах, которые развивались бы скрытно, чтобы вмешаться как можно раньше», — заключают авторы.