Исследователи взломали код генетических «регуляторных ручек»

Ученые из Центра геномной регуляции в Барселоне разработали новую методику для расшифровки ДНК-кода «регуляторных ручек», которые определяют уровень активности генов у бактерий. Это открытие важно для биотехнологии, где генетически модифицированные бактерии используются для производства полезных молекул, таких как новые материалы и лекарства.

Когда ген включается, различные участки ДНК рядом с ним действуют как «регуляторные ручки», влияя на уровень его активности и количество производимого продукта. Используя бактерию Mycoplasma pneumoniae в качестве модели, команда под руководством профессора Луиса Серрано разработала быстрый способ сканирования тысяч случайно сгенерированных последовательностей ДНК в поиске тех, что эффективно активируют «репортерный» ген.

Новый метод, названный ELM-seq, позволил найти последовательности ДНК, которые сильно повышают уровень транскрипции — процесс «считывания» гена для производства промежуточной матрицы (РНК). Также были найдены последовательности, усиливающие эффективность трансляции — процесса интерпретации РНК для сборки белков. Запатентованный метод ELM-seq косвенно измеряет активность гена, кодирующего белок, который добавляет специфическую химическую «метку» на ДНК. Более высокая активность гена оставляет больше меток, которые детектируются с помощью высокочувствительного метода массового параллельного секвенирования, давая количественную оценку уровня активности гена.

Опубликовав результаты в журнале Nature Communications, исследователи обнаружили последовательности ДНК для «регуляторных ручек», которые стабильно обеспечивают очень высокий уровень активности генов. Они также выявили ранее неизвестную информацию о типах последовательностей, которые работают лучше всего. Интересно, что команда обнаружила, что самая первая «буква» (основание) в молекуле РНК критически важна для эффективной транскрипции. Также выяснилось, что трехмерная структура РНК играет ключевую роль в определении эффективности трансляции, а не специфические последовательности, которые ранее считались необходимыми.

«Предыдущие методики исследования регуляторных последовательностей ДНК обычно требовали сортировки клеток по одной и измерения активности генов в каждой из них, — говорит ведущий автор статьи доктор Ева Юс. — Однако наш новый подход использует передовые технологии секвенирования ДНК для точного измерения эффектов тысяч последовательностей на активность генов одновременно».

Mycoplasma pneumoniae имеет очень маленький геном, что упрощает его изучение. Хотя методика была отработана на этом простом организме, её можно применять и к другим видам бактерий, дрожжам или даже человеческим клеткам для получения информации о контроле и манипуляции генами.

«Если мы хотим использовать бактерии или другие клетки в биотехнологии, нам нужно сконструировать их для производства максимального количества продукта. Но это очень сложно без информации об оптимальных последовательностях для контроля генов», — отмечает соавтор исследования доктор Джей-Сонг Ян.

Поскольку Mycoplasma pneumoniae обычно инфицирует лёгкие, команда планирует использовать новые знания для разработки терапий на основе генетически модифицированных бактерий для лечения заболеваний лёгких, включая инфекции, рак и даже подходы к регенерации повреждённых тканей.

«Теперь у нас есть широкий набор регуляторных последовательностей, которые мы можем использовать для настройки уровней производства нужных белков в лёгких — как набор инструментов для контроля активности генов, — объясняет профессор Серрано. — Кроме того, эта методика — очень дешёвый и быстрый способ поиска последовательностей, управляющих транскрипцией и трансляцией, и её можно использовать для любых биотехнологических приложений или организмов».