Учёные создали синтетическую ДНК для изучения генов-«архитекторов»
Исследователи из Нью-Йоркского университета создали искусственные гены Hox — которые планируют и направляют перемещение клеток для формирования тканей и органов — с помощью новой технологии синтетической ДНК и геномной инженерии в стволовых клетках.
Их результаты, опубликованные в Science, подтверждают, как кластеры генов Hox помогают клеткам узнавать и запоминать своё положение в организме.
Гены Hox как архитекторы тела
Почти все животные — от людей до птиц и рыб — имеют передне-заднюю ось, или линию, идущую от головы к хвосту. Во время развития гены Hox действуют как архитекторы, определяя план размещения клеток вдоль этой оси, а также то, какие части тела они формируют. Гены Hox гарантируют, что органы и ткани развиваются в правильном месте, формируя грудную клетку или размещая крылья в правильных анатомических позициях.
Если гены Hox выходят из строя из-за нарушения регуляции или мутации, клетки могут «теряться», что играет роль в некоторых видах рака, врождённых дефектах и выкидышах.
«Я не думаю, что мы можем понять развитие или болезнь, не понимая генов Hox», — сказал Эстебан Маццони, доцент биологии в NYU и соавтор исследования.
Несмотря на их важность в развитии, гены Hox сложно изучать. Они тесно организованы в кластеры, где на участке ДНК находятся только гены Hox и нет других окружающих генов (что учёные называют «генной пустыней»). И хотя многие части генома имеют повторяющиеся элементы, в кластерах Hox таких повторов нет. Эти факторы делают их уникальными, но трудными для изучения с помощью обычного редактирования генов без воздействия на соседние гены Hox.
Новый старт с синтетической ДНК
Могут ли учёные создать искусственные гены Hox, чтобы лучше их изучать, вместо того чтобы полагаться на редактирование генов?
«Мы очень хорошо умеем читать геном или секвенировать ДНК. И благодаря CRISPR мы можем вносить небольшие правки в геном. Но мы всё ещё не умеем хорошо писать с нуля», — объяснил Маццони. — «Написание или создание новых частей генома может помочь нам проверить достаточность — в данном случае выяснить, какова минимальная единица генома, необходимая клетке, чтобы знать, где она находится в теле».
Маццони объединил усилия с Джефом Бёке, директором Института системной генетики Медицинской школы Гроссмана при NYU, известным своей работой по синтезу синтетического генома дрожжей. Лаборатория Бёке стремилась адаптировать эту технологию для клеток млекопитающих.
Аспирант Сударшан Пинглэй из лаборатории Бёке создал длинные цепи синтетической ДНК, копируя ДНК из генов Hox крыс. Затем исследователи доставили эту ДНК в точное место внутри плюрипотентных стволовых клеток мышей. Использование разных видов позволило исследователям отличить синтетическую ДНК крысы от естественных клеток мыши.
«Доктор Ричард Фейнман знаменито заметил: "То, чего я не могу создать, я не понимаю". Теперь мы на гигантский шаг ближе к пониманию Hox», — сказал Бёке, который также является профессором биохимии и молекулярной фармакологии в NYU Grossman и соавтором исследования.
Изучение кластеров Hox
Имея искусственную ДНК Hox в стволовых клетках мыши, исследователи смогли изучить, как гены Hox помогают клеткам узнавать и запоминать своё положение. У млекопитающих кластеры Hox окружены регуляторными областями, которые контролируют активацию генов Hox. Было неизвестно, требуется ли для обучения и запоминания положения клетками только сам кластер или кластер плюс другие элементы.
Исследователи обнаружили, что сами по себе эти плотные кластеры генов содержат всю информацию, необходимую клеткам для декодирования позиционного сигнала и его запоминания. Это говорит о том, что компактная природа кластеров Hox — это то, что помогает клеткам узнавать своё местоположение, подтверждая давнюю гипотезу о генах Hox, которую ранее было трудно проверить.
Создание синтетической ДНК и искусственных генов Hox открывает путь для будущих исследований развития животных и болезней человека.
«У разных видов разные структуры и формы, что во многом зависит от того, как экспрессируются кластеры Hox. Например, змея — это длинная грудная клетка без конечностей, а скат — это вообще без грудной клетки, только конечности. Лучшее понимание кластеров Hox может помочь нам понять, как эти системы адаптируются и модифицируются для создания разных животных», — сказал Маццони.
«В более широком смысле, эта технология синтетической ДНК, для которой мы построили своего рода фабрику, будет полезна для изучения геномно сложных заболеваний, и теперь у нас есть метод создания гораздо более точных моделей для них», — сказал Бёке.