Почти 1 процент всех детей рождаются с врожденными пороками сердца — рядом потенциально опасных для жизни проблем со структурой и функцией их сердца. Для большинства детей точные причины этих пугающих дефектов неизвестны.

Виновниками, по-видимому, являются аномальные версии или варианты генов, которые участвуют в формировании сердца в утробе матери. Но многое еще предстоит узнать о том, какие именно гены способствуют врожденным порокам сердца и как они взаимодействуют друг с другом.

Теперь, как сообщается в научном журнале Cell , исследователи из Gladstone Institutes разработали новый метод выявления генетических вариантов, которые могут играть важную роль в врожденных пороках сердца, что открывает возможности для ускорения исследований этого серьезного состояния. Исследование проводилось под руководством президента Гладстона и старшего исследователя Дипака Сриваставы, доктора медицины, и Кэти Поллард, доктора философии, директора Гладстонского института науки о данных и биотехнологии.

Новая стратегия, которая сочетает в себе методы генетики, вычислительной биологии , биологии стволовых клеток и протеомики, также может применяться для изучения многих других заболеваний со сложными генетическими причинами.

«Предыдущие методы генерировали длинные списки вариантов, обнаруженных у пациентов, но многие на самом деле оказались несущественными, поэтому основной проблемой в этой области было определение наиболее важных вариантов», — говорит Шривастава, который также является детским кардиологом и профессор кафедры педиатрии Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF). «Наш подход выявляет варианты, которые с наибольшей вероятностью могут быть связаны с болезнью, что позволяет нам сосредоточиться на этих вариантах, углубить понимание биологии, лежащей в основе болезни, и, мы надеемся, быстрее перейти к новым методам лечения».

Использование взаимодействий между белками

Вместо того, чтобы рассматривать варианты изолированно, новая стратегия рассматривает взаимодействия между белками, чтобы сосредоточиться на том, какие варианты могут вызывать заболевание — в данном случае врожденный порок сердца.

Уже было известно, что белки GATA4 и TBX5 необходимы для формирования здорового человеческого сердца и взаимодействуют с сетью дополнительных белков, помогая расти сердцу. Мутации в других белках сети теоретически могут способствовать порокам развития сердца.

Чтобы идентифицировать эти потенциальные гены-виновники, исследователи тщательно наметили всю сеть взаимодействий между белками GATA4 и TBX5, используя клетки-предшественники сердца, выращенные из индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток. Затем они сопоставили эту сеть из 273 белков с данными секвенирования ДНК более 3000 детей с врожденными пороками сердца и их родителей, разработанными консорциумом, финансируемым Национальными институтами здравоохранения.

Несколько десятков вариантов в данных секвенирования детей совпадали со специфическими белками, также обнаруженными в сети GATA4-TBX5, гораздо больше, чем ожидалось, что указывает на то, что они являются кандидатами, которые могут способствовать врожденному пороку сердца.

«Сначала мы определили важные белковые сети в типах клеток, пораженных врожденными пороками сердца, а затем объединили крупномасштабные данные секвенирования, кодирующие белок», — говорит Барбара Гонсалес Теран, доктор философии, ведущий автор исследования и постдокторант. ученый в лаборатории Шриваставы. «Многие ученые предполагали, что такой подход возможен, но, насколько нам известно, это первый раз, когда он фактически применялся для лечения любого заболевания».

Обнаружен новый высокоранговый вариант

Чтобы определить, действительно ли каждый из вариантов-кандидатов, идентифицированных в сети GATA4-TBX5, способствует развитию сердечно-сосудистых заболеваний, потребуются годы исследований. Вместо этого в качестве последнего шага своего нового метода Морин Питтман, аспирантка Калифорнийского университета в Сан-Франциско в лаборатории Полларда, разработала вычислительный инструмент, который ранжирует кандидатов в соответствии с вероятностью их участия в развитии врожденных пороков сердца. Этот алгоритм ранжирования учитывает характеристики варианта, пораженного гена и тип порока сердца, обнаруженного у пациентов с вариантом.

«Из наиболее важных вариантов, которые мы идентифицировали с помощью алгоритма, некоторые были в генах, которые, как уже известно, способствуют врожденным порокам сердца», — говорит Питтман. «Но многие из них никогда раньше не были связаны с развитием сердца, включая белок под названием GLYR1, который участвует в включении и выключении других генов».

Дополнительные эксперименты на клетках и мышах показали, что GLYR1 действительно играет центральную роль в формировании сердца, а пациентский вариант GLYR1 нарушает развитие сердца, препятствуя его взаимодействию с GATA4.

«Идентификация GLYR1 как ключевого гена в развитии сердца открывает совершенно новое биологическое пространство для понимания того, как работает эта система», — говорит Шривастава. «Мы продолжим изучать биологию GLYR1 и надеемся, что другие ученые продолжат работу над другими найденными нами вариантами с высокими показателями».

Сривастава отмечает, что новое исследование в значительной степени опиралось не только на вычислительные методы, разработанные в лаборатории Полларда, но и на методы протеомики из лаборатории Невана Крогана, доктора философии, старшего исследователя в Гладстоне и директора Института количественных биологических наук в Калифорнийском университете в Сан-Франциско.

«Динамичные и сфокусированные на командной работе усилия в Gladstone действительно сделали это возможным», — говорит Шривастава.

Новый инструмент для изучения сложных заболеваний

Благодаря достижениям в области хирургии миллионы детей с пороками сердца доживают до взрослого возраста. Но многие продолжают сталкиваться с проблемами на протяжении всей жизни, такими как повышенный риск сердечной недостаточности.

«Лучшее понимание генетической основы врожденного порока сердца может указать на новые стратегии не только для блокирования развития заболевания, что в настоящее время является очень сложной задачей, но и для облегчения проблем, которые сохраняются после операции, чтобы улучшить качество и продолжительность операции. жизнь», — говорит Гонсалес Теран.

Исследователи считают, что сила их нового метода заключается в том, что он обещает помочь понять, как комбинации вариантов, а не отдельные варианты сами по себе, работают вместе, вызывая врожденный порок сердца .

«Редко это заболевание вызывается одним геном; пациент с вариантом GLYR1, например, может иметь дополнительные варианты, унаследованные от своих родителей, которых самих по себе недостаточно, чтобы вызвать заболевание, но они делают это наряду с вариантом GLYR1», — говорится в исследовании. Поллард, который также является профессором Калифорнийского университета в Сан-Франциско и исследователем биохаба Чана Цукерберга. «Наш новый подход может помочь определить конкретные комбинации вариантов, которые вызывают пороки сердца».

Этот метод также может быть адаптирован для выявления комбинаций вариантов, которые могут лежать в основе других сложных заболеваний. Например, команда Полларда уже изучает возможности применения этого метода при нарушениях развития нервной системы, включая аутизм и эпилепсию.

«Поскольку каждый год создается все больше и больше данных о секвенировании пациентов со сложными заболеваниями, наш подход поможет определить, на чем сосредоточиться среди всех обнаруженных вариантов», — говорит Шривастава.