Гены выражают себя через поэзию? Новое исследование учится «читать» геном

Исследование Мичиганского университета продвинулось в понимании того, как «читать» геном — ключевой цели современной биологии.

Результаты, опубликованные в eLife, показывают, что содержание ДНК в наших геномах напоминает сложный биологический язык, состоящий из кодирующих и регуляторных областей. Если кодирующие белок участки ДНК можно сравнить с дорожным сигналом (простой сигнал «стоп» или «иди»), то регуляторные области больше похожи на поэзию.

Регуляторные сайты как поэзия

«Регуляторные сайты в ДНК работают как выключатель, чтобы включить или выключить ген. У животных это чрезвычайно сложно, — объяснил ведущий автор статьи Дэвид Арности, профессор биохимии и молекулярной биологии. — В клетке могут быть сотни белковых факторов, которые связываются с геном и влияют на его активность. И могут быть сотни мест связывания».

Он сравнивает «язык», используемый в этих регуляторных сайтах, с поэзией: «Это может быть Эмили Дикинсон, Шекспир или Аллен Гинзберг; но все они используют "слова", чтобы вызвать мысли и эмоции, чтобы контролировать сообщение».

Методология исследования

Команда под руководством Арности изучила набор регуляторных белков, отвечающих за включение и выключение генов в эмбрионе Drosophila (плодовой мушки). Исследователи сосредоточились на регуляторном факторе Dorsal, который контролирует сеть генов, критически важных для развития эмбрионов. Dorsal связывается с регуляторной областью или «энхансером» гена rhomboid.

Учёные проанализировали десятки вариантов этого гена и количественно измерили экспрессию примерно в 1000 эмбрионах, создав набор данных для обучения математических моделей с использованием оптимизации параметров.

Результаты и перспективы

Исследование показало, что регуляторные свойства специфических контрольных белков можно изучить с помощью количественных экспериментов и математических моделей. Применяя ансамбль моделей, команда смогла идентифицировать консервативные регуляторные свойства в других последовательностях, чтобы «читать» геном.

«Используя этот подход, мы в конечном итоге сможем делать то же, что и на уроке английского — взять книгу хайку или Шекспира и понять, что "это любовное стихотворение" или "это элегия", потому что мы поймём, как "слова" — элементы ДНК — используются в разных контекстах для передачи разного смысла в регуляции генов», — сказал Арности.

Практическое значение

Подобные исследования необходимы, чтобы понять, как мутации, обнаруженные в геноме, могут влиять на экспрессию генов, что приведёт к лучшей диагностике и лечению болезней.

• Прецизионная медицина: «Мы можем сравнить экспрессию генов в опухоли и в нормальной ткани одного пациента, чтобы понять, что пошло не так в этой генной сети. Возможность читать регуляторный потенциал из последовательностей ДНК может способствовать использованию прецизионной медицины — назначению определённых лекарств или методов лечения, которые будут работать именно на раке этого пациента».
• Эволюционные исследования: Метод поможет изучать и понимать геномы, которые ранее не исследовались, выявляя важные регуляторные свойства для разработки новых продуктов или методов лечения болезней.