Важность генов-энхансеров несмотря на кажущуюся избыточность
Свойства и функции клетки определяются тем, какие гены в ней включены, поскольку ДНК у всех клеток одинакова. Ключевую роль в этом играют энхансеры — короткие участки некодирующей ДНК, регулирующие экспрессию конкретных генов.
Энхансеров больше, чем генов, и их связь неоднозначна. Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) изучили вопрос об избыточности энхансеров и их общей важности для развития в двух работах.
Идеальная консервация
В исследовании, опубликованном в Cell, команда изучила энхансеры, содержащие ультраконсервативные элементы — последовательности длиной не менее 200 пар оснований, на 100% идентичные в геномах человека, мыши и крысы. Они сохранялись идеально более 80 миллионов лет.
Ранее группа удалила четыре ультраконсервативных мозговых энхансера в геноме мыши. Все четыре линии мышей были жизнеспособны и фертильны, что стало неожиданностью.
В новом исследовании команда использовала инструмент редактирования генов CRISPR-CAS9, чтобы изучить энхансеры рядом с геном Arx, дефекты которого вызывают неврологические расстройства и нарушения полового развития у мышей и людей. Они удалили четыре мозговых энхансера Arx, активных парами в верхней или нижней части переднего мозга.
- При удалении по одному все мыши были жизнеспособны и фертильны.
- При удалении пар со схожей активностью мыши также оставались жизнеспособны и фертильны — это исключило избыточность как основное объяснение отсутствия серьёзных дефектов.
Однако при детальном неврологическом анализе в трёх из четырёх случаев удаления одного энхансера были обнаружены аномалии: нарушения роста, развития мозга, структурный дефект гиппокампа или уменьшение числа холинергических нейронов.
«Изменения мозга у этих мышей напоминают те, что наблюдаются у людей с эпилепсией или деменцией», — сказала Диана Дикель.
Защитная избыточность
Во втором исследовании, опубликованном в Nature, команда удалила десять энхансеров конечностей рядом с генами, важными для их развития. Все десять линий мышей имели нормально выглядящие конечности.
Однако для некоторых генов были обнаружены пары энхансеров, активных одновременно. При удалении таких пар проявлялись аномалии: лишние пальцы или различия в длине костей. Это указывает на избыточную функцию данных энхансеров.
«Это как если бы у пилота и второго пилота в кабине были продублированные штурвалы», — объяснил Аксель Визель.
Вычислительный анализ геномных данных показал, что гены, контролирующие ключевые процессы эмбрионального развития, часто снабжены наборами энхансеров, которые, вероятно, избыточны. В более чем 1000 крайних случаях были найдены наборы из пяти и более энхансеров со схожей активностью, контролирующих один ген.
«Мы не говорим, что эти энхансеры абсолютно избыточны... но существует механизм защиты от вредных эффектов в масштабе одного поколения. Отбор происходит на протяжении многих поколений», — резюмировал Лен Пеннаккио.
Более широкие последствия
Эти исследования демонстрируют вариативную важность избыточности энхансеров.
«Геном — большое место. Трудно подогнать каждый локус в геноме под одну конкретную модель регуляции генов. В одних локусах больше избыточности, чем в других», — отметила Диана Дикель.
В конечном итоге команду интересует, способствуют ли мутации в энхансерах развитию человеческих болезней.
«Теперь, когда полное секвенирование генома человека стало реальностью, мы сосредоточены на изучении того, как человеческие мутации влияют на здоровье и развитие in vivo», — сказал Лен Пеннаккио.