В крошечном черве — детальный взгляд на активность генов в тканях

Ученые давно ценят круглого червя Caenorhabditis elegans как модель для изучения биологии многоклеточных организмов. Черви длиной в миллиметр легко культивируются в лаборатории и поддаются генетическим манипуляциям, а их тело состоит всего из около 1000 клеток, что делает их мощной системой для исследования сложностей развития, поведения и метаболизма.

Команда из Института интегративной геномики Льюиса-Сиглера в Принстоне создала новые ресурсы для исследований C. elegans: комплексную картину активности генов в каждой из четырех основных тканей взрослых червей, а также инструмент для прогнозирования активности генов в 76 более специфических типах клеток. Результаты работы, возглавляемой старшими авторами — профессором молекулярной биологии Колин Мерфи и профессором компьютерных наук Ольгой Троянской, — опубликованы 10 августа в журнале PLOS Genetics.

Исследование основано на сотрудничестве, начавшемся в 2009 году, когда две лаборатории впервые объединились для анализа паттернов активности генов в тканях C. elegans. «Большая часть биологии, о которой мы слышим, изучается на целых организмах, но правда в том, что болезнь обычно поражает конкретную ткань», — отметила Мерфи. Для C. elegans известно, что, например, инсулиновая сигнализация в мозге или кишечнике животного может влиять на продолжительность жизни всего организма.

Ранее активность более 20 000 генов червя изучалась в эмбрионах, личинках или целых взрослых особях, но выделение тканей взрослых животных для таких экспериментов было затруднено из-за анатомии червя. Рашель Калетски, соавтор работы, разработала методику выделения специфических тканей. В данном исследовании метод применили для глобального анализа активности (экспрессии) генов в четырех основных тканях взрослого червя: мышечной, нейронной, кишечной и эпидермальной.

После разделения клеток из четырех основных тканей исследователи выделили и секвенировали их матричные РНК (мРНК) — промежуточные молекулы, которые позволяют информации, закодированной в ДНК генов, транслироваться в белки. Анализ данных РНК выявил отчетливые паттерны экспрессии генов в каждой ткани. Например, в клетках кишечника высоко экспрессировались гены, связанные с пищеварением, а гены, связанные с обучением и памятью, — в нейронах. Более 5000 генов экспрессировались во всех типах тканей; они были задействованы в таких универсальных процессах, как метаболизм глюкозы или реакции на стресс.

Сравнение результатов с профилями экспрессии генов человека дало неожиданные результаты. Например, эпидермис C. elegans экспрессировал не гены, похожие на активные в коже человека, как долго предполагалось, а множество метаболических генов, сравнимых с активными в печени человека. «Это может помочь в изучении органоспецифичных заболеваний человека, используя червей в качестве модели», — сказала Мерфи.

Чтобы получить картину экспрессии генов с более высоким разрешением по типам клеток и стадиям жизни, группа Мерфи совместно с Троянской и Викторией Яо (соавтор) применила вычислительные методы для анализа данных более чем 4000 общедоступных экспериментов по экспрессии генов C. elegans, включая данные текущего исследования. Исследователи разработали подход машинного обучения, чтобы выявить тканеспецифичные паттерны, комбинируя крупномасштабные наборы данных с лучшей доступной информацией из небольших экспериментов, демонстрирующих экспрессию гена в конкретной ткани. Инструмент прогнозирования активности генов доступен по адресу worm.princeton.edu.

В качестве примера команда использовала инструмент для изучения генов, контролируемых CREB — ключевым регулятором метаболизма и долговременной памяти. Хотя активность CREB в нейронах хорошо известна, это исследование показало, что CREB также регулирует гены в эпидермисе, кишечнике и репродуктивной системе червя.

Мерфи подчеркнула, что в статье приведены лишь несколько примеров новых открытий, сделанных с помощью данных и инструмента команды. «Мы очень надеемся, что исследовательское сообщество, работающее с червями, будет использовать это, чтобы найти то, о чем мы даже не задумывались», — сказала она.