Около 98,5% человеческой ДНК некодируют, то есть не копируются для создания белков. Новое исследование связало многие из этих некодирующих областей с генами, на которые они влияют, и изложило рекомендации о том, как исследователи могут продолжать эту работу в будущем.

Понимание некодирующей части нашей ДНК имеет решающее значение для понимания генетических компонентов заболеваний, говорит Стивен Рейли, доцент кафедры генетики Йельской школы медицины, который возглавлял исследование.

«Когда мы обнаруживаем мутации в ДНК, связанные с каким-либо признаком или заболеванием, они часто находятся в этих некодирующих областях», — сказал Рейли. «Возможность понять, на какие гены влияют эти мутации, очень важна».

Исследование было опубликовано в журнале Nature Methods.

В ходе исследования Рейли и его коллеги решили понять, как некодирующие области ДНК, известные как «энхансеры» и «промоторы», связаны с генами. Промоторы — это участки ДНК, расположенные непосредственно перед генами, которые контролируют, транскрибируются ли гены в мРНК, которая в конечном итоге превратится в белок. Молекулы, активирующие гены, связываются с промоторами, инициируя процесс.

Энхансеры — это участки ДНК, которые действуют как дополнительные управляющие элементы для промоторов, указывая им, где и когда включаться. Однако они могут находиться довольно далеко от генов, которые они контролируют, что затрудняет предсказание того, на какие гены может повлиять мутация в энхансере.

По сути, эти генетические регуляторы помогают включать и выключать гены.

Исследовательские усилия являются частью 20-летнего проекта, известного как Энциклопедия элементов ДНК или Консорциум ENCODE.

На более ранних этапах проекта исследователи определили, где в геноме человека расположены энхансеры и промоторы. Геном, по словам Рейли, — это что-то вроде проекта дома; По его словам, определение местоположения энхансеров и промоутеров похоже на определение местоположения выключателей в доме.

Целью этого исследования, по его словам, было определение плана электропроводки в доме, чтобы узнать, какие источники света (или гены) включаются и выключаются этими выключателями, с промоутерами, сравнимыми с обычным выключателем света, и усилителями, больше похожими на ручку диммера.

Для этого исследователи использовали CRISPR, инструмент генной ориентации, чтобы по одному отключать небольшие участки ДНК, а затем наблюдали, что происходит с генами. Обычно CRISPR фиксирует определенную последовательность ДНК и разрезает ее. Здесь исследователи использовали модифицированную версию, привязанную к молекуле, которая заставляла замолчать близлежащую ДНК, а не разрезала ее.

По словам Рейли, это, по сути, позволило им включать и выключать свет.

И они сделали это с большими частями генома, а не только с тем, что, как они подозревали, было энхансерами или промоторами.

«Хорошей новостью было то, что единственные вещи, которые, казалось, что-то делали, — это те вещи, которые мы уже наметили как усилители или промоторы», — сказал Рейли. «Таким образом, не было каких-то секретных выключателей света, о которых мы не знали. Это подтверждает, что, когда мы смотрим на вариацию ДНК, которая может повлиять на болезнь, у нас есть энхансеры и карты промоторов , которые мы должны искать».

Еще более удивительным открытием стало то, что исследователи обнаружили, что отдельные усилители могут влиять на несколько генов. Это было так, как если бы один выключатель включил несколько лампочек.

«Изначально мы были склонны думать, что один энхансер влияет на один ген, но мы обнаружили, что на самом деле один энхансер влияет на множество генов», — сказал Рейли. «Это говорит о том, что если у вас есть мутация в энхансере, связанная с заболеванием, вам, возможно, придется искать несколько затронутых генов, а не только один».

Вместе исследователи провели эти эксперименты на более чем 540 000 участках ДНК.

По словам Рейли, совместная и систематическая работа позволила группе выявить закономерности и выявить лучшие практики, которых у них, скорее всего, не было бы в ходе отдельных экспериментов.

Группа коллективно смогла определить лучший способ проведения этих конкретных экспериментов CRISPR, определив, какие руководства следует использовать для управления CRISPR и какие методы анализа являются наиболее точными. «Это поможет другим исследователям проводить подобные эксперименты в интересующих их областях ДНК более эффективно и результативно», — сказал Рейли.

«Особенно, если исследователи работают с образцами клеток пациента, которых у них может быть только определенное количество, они захотят использовать наши рекомендации, чтобы максимизировать свои шансы связать усилители с их целевыми генами », — сказал он.

Кроме того, исследователи обнаружили, что при использовании этого типа скрининга CRISPR имеет значение, на какую из двух цепей ДНК вы нацелены.

«В зависимости от того, на какую цепь вы нацелены, вы получите разные результаты о том, насколько велико влияние репрессии ДНК, опосредованной CRISPR, на гены», — сказал Рейли. «Знание этих различий позволит исследователям разработать правильные методы анализа».

По его словам, это конкретное открытие было бы невозможно без больших совместных усилий в этой работе.

«Мы увидели это только потому, что анализировали сотни таких экспериментов. Чтобы увидеть эти закономерности, нужно собрать очень большие наборы данных», — сказал Рейли. «Это была тема работы над геномом человека с самого начала. Геном огромен. Один человек или одна лаборатория не могут справиться со всем этим. И эта работа стала отличным примером того, как работает крупномасштабное сотрудничество и его необходимость. за эту монументальную задачу понимания человеческого генома ».

Консорциум ENCODE, созданный в 2003 году, подходит к концу, и многие из его основных целей были достигнуты. В дальнейшем Рейли стремится использовать лучшие практики , возникшие в результате этой работы, для проведения такого рода анализа в более сложных системах. Одна из целей — лучше понять, сколько генов участвует в развитии заболеваний или в придании наблюдаемых характеристик, таких как рост.

«Мы хорошо понимаем, какие варианты ДНК существуют, но не имеем четкого представления о том, как эти варианты влияют на гены», — сказал Рейли. «Это исследование дает нам план, как лучше проводить эти эксперименты».