Новые методы точнее определяют влияние древней вирусной ДНК на человеческие гены

Новые лабораторные методы могут определить, на какие из наших генов влияют фрагменты ДНК, оставленные в нашем генетическом коде вирусами.

Вирусы давно известны тем, что размножаются, используя генетический аппарат клеток, которые они заражают. Со временем в рамках этого процесса эти микроорганизмы оставили тысячи последовательностей ДНК, называемых транспозонами, в генетическом материале (геномах) многих форм жизни, включая мышей и людей. Определение того, какие транспозоны регулируют какие гены, было сложной задачей, поскольку транспозоны могут влиять на близлежащий ген или на тот, который находится далеко в молекулярной цепи ДНК.

В новом исследовании, опубликованном 13 декабря в Genome Biology, описаны методы, которые захватывают больше информации о местоположении и влиянии вирусных вставок в геномах, идентифицируя гены, потенциально контролируемые активными транспозонами (большинство из них подавляются защитными механизмами наших клеток).

«Один из интересных выводов нашего исследования заключается в том, что один транспозон может контролировать более одного гена, а один ген может регулироваться более чем одним транспозоном, что увеличивает сложность потенциального влияния транспозонов на здоровье и болезнь», — говорит старший автор исследования Джейн Скок, доктор философии. — «Кроме того, вирусные вставки из одного семейства предпочтительно взаимодействуют друг с другом, возможно, усиливая их влияние на генетическую активность».

Взгляд на генетическую реальность

Долгое время после открытия ДНК исследователи в основном рассматривали генетику с точки зрения генов — последовательностей ДНК, кодирующих инструкции для построения белков в клетках. Затем учёные обнаружили, что гены составляют всего 2% нашей ДНК, а большая часть генетической сложности проистекает из обширного некодирующего кода, который влияет на включение или выключение генов. Более того, выяснилось, что половина этого некодирующего кода происходит от вставок вирусной ДНК. Следовательно, генетическая вариация и потенциал для вызывающих болезни ошибок возникают как в транспозонах, так и в генах.

Текущие результаты основаны на открытии, что участки ДНК, называемые энхансерами, контролируют активность генов. Эти энхансеры могут быть отделены от своих генов-мишеней большим расстоянием на линейной цепи ДНК, но могут закручиваться в 3D-пространстве, чтобы взаимодействовать с другим участком цепи, образуя петли. Затем появились доказательства, что некоторые из этих энхансеров, образующих петли, могут быть частями последовательностей вирусных транспозонов.

Транспозонные вставки встречаются во многих местах и поэтому являются повторами одного и того же кода ДНК (не уникальны). Однако популярные полногеномные исследования ассоциаций полагаются на поиск связи между одним уникальным фрагментом ДНК и риском заболевания. Таким образом, повторяющиеся последовательности обычно игнорируются, поскольку неясно, какое из этих множественных мест вставки взаимодействует с конкретным геном, связанным с болезнью.

Экспериментальные данные подтверждают идею, что для оказания влияния энхансеры должны вступать в физический контакт со своими генами-мишенями через образование петель. Идентификация таких взаимодействий между разными фрагментами ДНК стала возможной в 2002 году с разработкой метода под названием chromosome conformation capture.

Текущее исследование описывает две вариации этой технологии, вместе называемые 4TRAN, которые используют повторяющуюся природу транспозонов для захвата их взаимодействий. Методы предоставляют прямые доказательства того, что некоторые транспозоны осуществляют дистанционный контроль генов с помощью образования петель.

• Один из новых методов, 4TRAN-PCR, оказался способен находить все взаимодействия с участием членов семейства транспозонов, содержащих определённую последовательность ДНК, что позволило исследователям подсчитать сотни или тысячи мест, где встречаются такие транспозоны. Метод показал, что транспозоны с большей вероятностью взаимодействуют с ДНК в пределах локальных «соседств» (топологически ассоциированных доменов), но также участвуют в дальних взаимодействиях, определяемых статусом активации компартментов, в которых они находятся.
• Вторая техника, Capture 4TRAN, прикрепляла зонды к каждому члену вирусного семейства, что в сочетании с другими уловками позволило команде определить влияние любой отдельной копии транспозона на конкретный ген или гены. Например, исследование показало, что несколько из 7200 копий повторяющейся ДНК, оставленных вирусным семейством MER41, которое заразило наших приматов-предков 60 миллионов лет назад, теперь служат энхансерами, которые включают гены иммунной системы посредством дальних контактов ДНК через петли. По иронии судьбы, гены-мишени в этом случае действуют для борьбы, среди прочего, с вирусами.

В дальнейшем команда уже начала эксперименты по поиску сетей взаимодействий между транспозонами и генами, которые отличаются в раковых клетках по сравнению со здоровыми.