В течение многих лет геном человека рассматривался как книга жизни, в которой разделы, полные красноречия и скупости выражений, чередовались с огромными отрывками тарабарщины. Разборчивые разделы содержали код для создания клеточных белков; другие области, составляющие около 90% всего генома, были отклонены как «мусорная ДНК», не имеющая заметной цели.
Исследования научили ученых другому. Было показано, что многие некодирующие участки не являются бесполезным наполнителем, они играют ключевую роль в регуляции активности генов — увеличивая или уменьшая ее по мере необходимости. У ученых-онкологов это вызвало собственные вопросы: если мутации в кодирующих областях заставляют клетки производить дефектные белки, что делают мутации в некодирующих областях? Как мутация во внутренних районах генома — в областях, лишенных генов — способствует развитию рака?
Учитывая, что некодирующие области участвуют в регуляции генов , исследователи, естественно, выдвинули гипотезу о том, что мутации в этих зонах нарушают активность генов, способствуя развитию рака. Однако исследование за исследованием обнаруживали, что в целом это не так, оставляя биологическое воздействие некодирующих мутаций чем-то вроде загадки.
Локальное мышление
В новой статье в журнале Nature Genetics исследователи Dana-Farber дали ответ. Они сделали это с помощью научного эквивалента локального мышления — сузив сферу своего исследования до конкретной ДНК, в которой происходят некодирующие мутации. Они обнаружили, что в подавляющем числе исследованных случаев такие мутации имеют эпигенетический эффект, то есть они изменяют, насколько плотно завернута ДНК в этих местах. Это, в свою очередь, влияет на то, насколько открыты эти места для связывания с другими участками ДНК или определенными белками, которые могут влиять на активность генов, участвующих в развитии рака.
Открытие впервые раскрывает широко распространенный биологический механизм, с помощью которого некодирующие мутации могут влиять на риск развития рака . Это также открывает путь к терапии, которая, нарушая этот механизм, может снизить вероятность развития некоторых видов рака у людей из групп риска.
«Исследования выявили огромное количество мутаций в геноме, которые потенциально могут быть связаны с раком», — говорит Александр Гусев, доктор философии, из Dana-Farber, Института Эли и Эдит Л. Броуд и Бригама и Женской больницы, которые совместно -автор статьи совместно с Деннисом Гришиным из Dana-Farber, к.т.н. «Задача заключалась в том, чтобы понять биологию, благодаря которой эти вариации увеличивают риск рака. Наше исследование раскрыло важную часть этой биологии».
Изменяет ли мутация экспрессию?
Чтобы выявить унаследованные — или зародышевые — мутации, которые повышают риск развития рака у человека, исследователи проводят так называемые полногеномные ассоциативные исследования , или GWAS. В них исследователи собирают образцы крови у десятков или сотен тысяч людей и сканируют их геномы на наличие мутаций или других вариаций, которые чаще встречаются у людей с раком, чем у людей без болезни.
Такие тесты выявили тысячи таких мутаций, но лишь небольшой процент из них находится в кодирующих частях генома, которые относительно легко связать с раком. Рак молочной железы является одним из примеров. «Выявлено более 300 мутаций, связанных с повышенным риском заболевания», — констатирует Гусев. «Менее 10% из них на самом деле находятся внутри генов. Остальные находятся в «пустынных» регионах, и неясно, как они влияют на риск заболевания».
Чтобы попытаться установить эту связь, исследователи собирают два набора данных: один — данные GWAS, показывающие мутации при определенном типе рака; и, во-вторых, данные о другой геномной особенности этого типа рака, такой как аномально высокий или низкий уровень активности определенных генов. Ища области совпадения между этими наборами данных в процессе, называемом колокализацией, исследователи могут определить, соответствуют ли мутации повышению или понижению активности этих генов. Если такая связь существует, это помогло бы объяснить, как некодирующие мутации могут привести к раку.
Однако, несмотря на огромные инвестиции в этот тип исследований, исследования колокализации выявили очень мало таких соответствий. «Обнаружено, что огромное количество мутаций, идентифицированных с помощью GWAS, вообще не имеют колокализирующего гена», — отмечает Гусев. «По большей части некодирующие мутации, связанные с риском рака, не совпадают с изменениями в экспрессии [активности] генов, задокументированными в общедоступных наборах данных».
Глядя ближе к дому
Поскольку этот маршрут выглядел все более неинформативным, Гусев и Гришин попробовали другой, более фундаментальный подход. Вместо того чтобы исходить из того, что некодирующие мутации могут влиять на экспрессию генов, они задались вопросом, как они изменяют свою домашнюю среду — влияют ли они на скручивание ДНК в непосредственной близости от них.
«Мы предположили, что если вы посмотрите на влияние этих мутаций на локальную эпигенетику — в частности, на то, вызывают ли они более плотное или слабое скручивание близлежащей ДНК — мы сможем обнаружить изменения, которые не были бы очевидны в экспрессионном анализе. исследования», — рассказывает Гусев.
Их аргументация такова: «Если мутация оказывает влияние на болезнь, этот эффект, вероятно, будет слишком тонким, чтобы его можно было зафиксировать на уровне экспрессии генов, но может быть не слишком тонким, чтобы зафиксировать его на уровне локальной эпигенетики — то, что происходит непосредственно вокруг мутации. «, — говорит Гусев.
Как если бы предыдущие исследования пытались понять, как лесной пожар в Калифорнии может повлиять на погоду в Колорадо, тогда как Гусев и Гришин хотели увидеть его влияние на склон холма, где он начался.
Для этого они провели другой тип исследования наложения. Они взяли данные GWAS о мутациях, связанных с раком, и данные об эпигенетических изменениях в семи распространенных типах рака и изучили, пересекаются ли они и где.
Результаты резко контрастировали с результатами исследований колокализации. «Мы обнаружили, что хотя большинство некодирующих мутаций не влияют на экспрессию генов, большинство из них влияет на локальную эпигенетическую регуляцию», — утверждает Гусев. «Теперь у нас есть базовое биологическое объяснение того, как подавляющее большинство мутаций, связанных с риском развития рака, потенциально связаны с раком, тогда как раньше такой механизм не был известен».
Используя этот подход, исследователи создали базу данных мутаций, которые теперь могут быть связаны с риском развития рака с помощью известного биологического механизма. База данных может служить отправной точкой для исследования лекарств, которые, воздействуя на этот механизм, могут снизить индивидуальный риск развития определенных видов рака.
«Если мы узнаем, например, что определенный фактор транскрипции [белок, участвующий в включении и выключении генов] связывается с одной из этих мутаций , связанных с раком, мы сможем разработать лекарства, нацеленные на этот фактор, что потенциально снизит вероятность того, что люди, рожденные с этой мутацией, заболеют раком », — говорит Гусев.
