Сотни регуляторных мотивов взаимодействуют для формирования клеток мозга

ДНК считается чертежом человеческого тела, кодирующим десятки тысяч генов, которые определяют, станет ли клетка нейроном, клеткой сердца или даже раковой клеткой. Другие последовательности ДНК, известные как энхансеры, определяют, активируются гены или инактивируются. В новом исследовании, опубликованном в Nature Communications, доцент ASHBi Фумитака Иноуэ и коллеги из США сообщают о создании "массово-параллельного репортерного пертурбационного анализа" (massively parallel reporter perturbation assay) для изучения тонкой настройки энхансеров во времени в процессе образования клеток мозга.

Энхансеры определяют, когда, где и в какой степени ген включается. Сами энхансеры регулируются транскрипционными факторами, которые связываются с регуляторными мотивами в последовательности энхансера. Таким образом, взаимодействия между энхансерами и транскрипционными факторами критически важны для усиления или подавления генов, определяющих судьбу и поведение клетки.

Для изучения энхансеров доступен ряд биохимических анализов, но массово-параллельные репортерные анализы (MPRA) позволяют количественно анализировать тысячи энхансеров одновременно. Команда модифицировала эти анализы, чтобы вносить пертурбации (нарушения) в регуляторные мотивы, с которыми связываются транскрипционные факторы.

Эти пертурбации были внесены в множественные регуляторные мотивы в тысячах последовательностей энхансеров. Затем был применен MPRA для изучения эффектов пертурбаций на активность энхансеров и систематической идентификации важных для активации или инактивации генов регуляторных мотивов.

Для валидации своего метода команда применила его к дифференцировке человеческих эмбриональных стволовых клеток в нейральные клетки. Они обнаружили 598 регуляторных мотивов, которые либо усиливали, либо подавляли транскрипцию.

Эти мотивы были разделены на четыре группы:

• Существенные и вспомогательные мотивы либо были необходимы, либо способствовали активации.
• Подавляющие и ингибирующие мотивы либо были необходимы, либо способствовали ослаблению транскрипции.

Дальнейшее исследование показало, что среди усиленных или подавленных генов многие участвуют в стимулировании нейральной дифференцировки или плюрипотентности стволовых клеток. Более того, анализ прояснил, что в большинстве случаев регуляторные мотивы определяли, будет ли транскрипция усилена или подавлена, но время внесения пертурбации определяло величину эффекта.

В целом, результаты демонстрируют сложную сеть регуляторных последовательностей, которые взаимодействуют друг с другом для достижения нейральной дифференцировки. Главным достижением метода названо количество последовательностей, которые можно проанализировать, и пертурбаций, которые можно применить, что позволило продемонстрировать сложность моделей регуляции экспрессии генов транскрипционными факторами.