Виртуальный инструмент для изучения функции генов призван сократить использование животных в генетических тестах

Исследователи из Школы ветеринарной медицины и биомедицинских наук Техасского университета A&M (VMBS) разработали новый виртуальный инструмент, который позволит ученым эффективнее изучать функцию генов и, как ожидается, сократит количество животных моделей в генетических исследованиях.

Инструмент под названием Gene Knockout Inference (GenKI) позволяет моделировать взаимосвязи между генами в отдельных клетках, чтобы изучать, какие гены влияют на клеточные функции. Понимание назначения каждого гена необходимо для разработки новых методов лечения — от рака до обычного гриппа.

«Молекулярные биологи и другие ученые используют так называемые "нокаутные модели" для изучения целевых генов, — сказал профессор VMBS доктор Джеймс Цай. — Ученые удаляют — или "нокаутируют" — ген, чтобы увидеть его функцию. Как мы опубликовали в журнале Nucleic Acids Research, наш новый виртуальный инструмент, созданный под руководством моего аспиранта Йонгджиана Янга, позволит исследователям изучать гены, используя меньше мышиных моделей, и облегчит наблюдение за взаимодействием генов».

Взгляд на общую картину

Определение функции каждого гена в организме — сложная задача. У человека от 20 000 до 25 000 белок-кодирующих генов, а у некоторых растений их может быть более 40 000.

Усложняет ситуацию то, что гены часто работают вместе, управляя разными частями организма, поэтому нокаутные исследования не всегда дают полную картину функции гена.

«Гены — часть огромной сети, — пояснил Цай. — У них есть партнеры, резервные копии и даже дистанционные связи друг с другом. Иногда непросто определить, какие гены связаны. Когда ученые хотят изучать гены вместе, они могут провести "двойной нокаут", но это дорого и ограничено двумя генами. Теоретически виртуальный инструмент может нокаутировать два, три или более генов по мере развития технологии».

Еще одно преимущество виртуального инструмента для генетических исследований — возможность изучать кросс-тканевый ответ, то есть связь генов между несколькими тканями, органами и системами.

«Обычно исследовательские лаборатории специализируются на изучении одного аспекта организма, например центральной нервной системы или метаболизма, — отметил Цай. — Поэтому они сосредотачиваются на изучении образцов тканей из одного места, например печени. Но некоторые гены могут играть более одной роли, поэтому мы ожидаем, что использование виртуального инструмента вроде GenKI, имеющего доступ к множеству типов клеток тканей, облегчит обнаружение таких кросс-тканевых связей».

Фокус на главном

Использование компьютерного инструмента также полезно, поскольку позволяет исследователям изучать гены, которые иначе были бы недоступны.

«При работе с тканями нельзя нокаутировать гены, необходимые для функционирования организма, иначе не получится жизнеспособная модель, — объяснил Цай. — Это заставляет ученых изучать компенсаторные, или вторичные, эффекты гена, но не сам целевой ген. С GenKI мы можем остановить функцию любого гена, и симуляция все равно будет работать. Все, что нужно сделать, — установить уровень экспрессии гена на ноль или снизить его, и инструмент покажет, какие другие точки данных затронуты изменением».

GenKI также позволит ученым получать ответы на вопросы на более ранних этапах исследования, чем при использовании тканей.

«Можно запустить симуляцию, даже если вы пытаетесь ответить на предварительные вопросы, — сказал Цай. — Надеемся, что по мере развития технологии ученые смогут все больше полагаться на инструмент вместо животных моделей».

Будущее генетических исследований

Живые организмы невероятно сложны, что создает трудности для создания цифровых симуляций.

«Сейчас инструмент может моделировать взаимосвязи генов в отдельных клетках человека и мыши, — сказал Цай. — Мы начинаем с простого, чтобы убедиться в точности инструмента».

Хотя инструмент все еще разрабатывается, Цай ожидает, что по мере того, как больше людей будут присылать его команде данные по разным типам клеток, они смогут расширить функциональность инструмента, сохраняя высокий уровень точности.

«В конечном итоге мы рассчитываем моделировать другие типы клеток и даже другие организмы, — пояснил он. — С этой технологией мы могли бы сократить использование животных моделей на 50% лет через 15. Но мы не сможем сделать это в одиночку — потребуется изменение культуры. Потребуются постоянные усилия по развитию инструмента, чтобы исследователи могли на него полагаться».