Ученые разработали методы для валидации сетей регуляции генов
Биологи и компьютерные специалисты составили карту сети взаимодействий, показывающую, как гены растений координируют свой ответ на азот — ключевой питательный элемент и основной компонент удобрений. Работа, опубликованная в журнале Nature Communications, предлагает потенциальную структуру и более эффективные методы для исследования широкого спектра жизненно важных путей в любом организме.
«Секвенирование целых геномов произвело революцию в науках о жизни, приведя к прорывам в медицине, сельском хозяйстве и фундаментальных исследованиях, — объясняет Мэтью Брукс, постдокторант NIH из Департамента биологии Нью-Йоркского университета и ведущий автор статьи. — Сейчас задача состоит в том, чтобы определить, как регулируются гены, закодированные в организме, и как они работают вместе в сетях, позволяющих растениям и животным реагировать на окружающую среду».
Ученые из Центра геномики и системной биологии Нью-Йоркского университета сосредоточились на сетях регуляции генов, которые состоят из транскрипционных факторов и регулируемых ими генов-мишеней. Эти сети позволяют организмам адаптироваться к изменяющимся условиям.
Однако многоклеточные организмы, где существует большое количество транскрипционных факторов и потенциально регулируемых ими генов-мишеней, представляют сложность для картирования всех связей. Природу взаимодействий в этих сложных сетях трудно экспериментально подтвердить обычными методами.
Чтобы преодолеть эти препятствия, команда, в которую также вошли исследователи из Института математических наук Куранта Нью-Йоркского университета, объединила инновационные экспериментальные и вычислительные методы для характеристики генной сети, лежащей в основе ответа на азот. Исследование было сосредоточено на растении Arabidopsis — модельном организме, поскольку это первое растение, у которого был полностью секвенирован геном.
Вместо стандартного подхода, предполагающего изменение экспрессии одного гена за раз в целом растении (что может занять много месяцев даже для одного транскрипционного фактора), группа масштабировала клеточную технику. Это позволило им экспериментально определить более 85 000 связей между 33 ранними азот-чувствительными транскрипционными факторами и регулируемыми ими генами-мишенями примерно за два месяца. В совокупности эти 33 фактора регулируют 88% генов, отвечающих на азот у растений. Используя подход, названный Network Walking, ученые смогли использовать этот огромный массив данных, чтобы проследить путь транскрипционного фактора от его прямых генов-мишеней в клетках корня до косвенных генов-мишеней в растениях.
«Все организмы изменяют экспрессию генов в ответ на питательные и сигналы развития, что позволяет им выживать и расти в своей среде, — отмечает Глория Корруцци, профессор Департамента биологии Нью-Йоркского университета и старший автор статьи. — Но понимание и экспериментальная валидация последовательности взаимодействий в этих чрезвычайно сложных сетях регуляции генов — сложная задача. Наш подход предлагает способ быстро раскрыть и подтвердить эти запутанные отношения, открывая путь для разработки более эффективных, экономичных и экологически безопасных методов выращивания растений и сельскохозяйственных культур. Однако наши экспериментальные и вычислительные подходы Network Walking могут быть применены к любой системе в биологии, сельском хозяйстве или медицине».