Генетический детектив: «плохая» буква G
Генетический детектив: «плохая» буква G

Всего одна буква в последовательности человеческой ДНК может настраивать организм против себя.

Исследовательская группа из Института молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта, Института общей генетики имени Н.И. Вавилова и государственного университета МФТИ выявила в геноме человека букву, которая может участвовать в механизмах развития аутоиммунных заболеваний, в частности рассеянного склероза. Статья об этом “The single nucleotide variant rs12722489 determines differential estrogen reseptor binding and enhancer properties of an IL2RA intronic region” опубликована в журнале Plos One. В ней учёные рассмотрели, как замена буквы может влиять на работу гена IL2RA, производящего важный для иммунной системы белок.

Когда две последовательности ДНК отличаются на одну букву, то есть на один нуклеотид (A, G, Т или С), это называется однонуклеотидным полиморфизмом или SNP (англ. Single nucleotide polymorphism). Вариант, имеющийся у конкретного человека, называется «аллель».

Подозреваемый или свидетель?

Список SNP, которые с разной частотой встречаются у людей здоровых и людей с аутоиммунными заболеваниями, можно получить из данных GWAS – полногеномного поиска ассоциаций. Это поиск связей между разными вариантами генома и болезнями. Лаборатории по всему миру определяют геномы огромного числа людей, сравнивают больных и здоровых, и ищут характерные мутации. Для некоторых болезней уже можно оценить риск того, что человек заболеет, просто прочитав последовательность его ДНК. Как правило, с одним признаком болезни связаны несколько SNP, то есть буквенных замен на разных участках генома. Однако список подозрительных аллелей ничего не говорит о механизмах заболевания. Чтобы научиться точной диагностике и персонифицировать медицину, необходимо детально исследовать каждый случай.

Замена не происходит одна: вместе с одной буквой наследуется и другая. Например, в определенном месте ДНК находятся буква А и «сцепленная» с ней буква Т. Но если вместо А стоит  G, то и вторая буква будет другая.  Замены наследуются группой, и у одного человека наблюдается сразу несколько характерных аллелей. Но чтобы докопаться до причин болезни, необходимо определить, кто из «подозреваемых» зачинщик, а кто – свидетель.  

Работа по сигналу

Чтобы иммунная система надежно стояла на страже человеческого организма, ее клетки должны передавать друг другу правильные сигналы. Одна клетка испускает сигнальную молекулу, а другая с помощью специального рецептора принимает ее. Например, когда молекула интерлейкина-2 подходит к рецептору интерлейкина-2 - белку IL2R, он активируется. Активация рецептора дает клеткам команду: атаковать или лишь задержать. Реакция на такой сигнал у разных клеток разная. Поэтому важен тонкий баланс: если рецепторов слишком много или слишком мало, это приведет к болезни.

«Было показано, что когда сигнал, передающийся интерлейкином-2, усиливается или прерывается, у мышей возникает аутоиммунная реакция. У людей с аутоиммунными заболеваниями тоже были замечены изменения в работе соответствующих рецепторов. Поэтому мы сосредоточились на гене IL2RA и на соседних SNP, ассоциированных с аутоиммунными болезнями», - рассказывает главный автор исследования Марина Афанасьева, сотрудник Института молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта.

Тайные посредники

РНК-полимераза синтезирует РНК на основе последовательности ДНК. Промотор – это участок ДНК, который служит РНК-полимеразе стартовой площадкой для транскрипции. Для правильной транскрипции должен собраться строго определенный белковый комплекс.

Белок производится по «рецепту», записанному в РНК. В свою очередь, РНК «переписывается» с ДНК – это называется транскрипцией. Некоторые участки ДНК не входят в итоговый «рецепт», то есть они не кодируют белок. Однако эти участки могут подавлять или усиливать транскрипцию, так что замена одной буквы в них может повлиять на количество белка. В некодирующей части гена ученые отобрали шесть замен в геноме, связанных с такими аутоиммунными заболеваниями, как рассеянный склероз, ревматоидный артрит, болезнь Крона, язвенный колит и др.  

На некодирующем участке влияние могут оказывать белки, которые называются транскрипционными факторами: эти белки связываются с определенными участками ДНК и другими белками. В результате собирается большой белковый комплекс, который и запускает транскрипцию. Одни белки-факторы ее стимулируют, другие тормозят. Получается, что для правильной работы гена важны не только его участки, кодирующие белок, но и участки, на которые «садятся» белки - транскрипционные факторы. Если один транскрипционный фактор не «узнает» свою последовательность, то он не свяжется с ней и в итоге получится не то количество белка, которое необходимо. Однако не все замены одинаково сильно влияют на совместимость с транскрипционными факторами. Следовательно, круг «подозреваемых» сужается.

С помощью биоинформационного анализа исследователи предсказали, какие SNP находятся в местах связывания с транскрипционными факторами. Применив еще несколько критериев, они  отобрали замену, обозначаемую rs12722489. У большинства людей на определенном участке ДНК находится буква G, но у некоторых она заменена на А, которая согласно статистике реже встречается у людей с аутоиммунными заболеваниями. Анализ этого участка ДНК показал, что если замены нет, то последовательность обладает сродством с транскрипционными факторами  ERa (alfa) и ERb (beta) - эстрогеновыми альфа- и бета-рецепторами. Так что причиной изменений в иммунной системе вполне может быть  изменение количества белка под действием транскрипционных факторов.

Очная ставка

Ученые проверили свое предположение в двух тестовых конструкциях. С их помощью они провели транскрипцию гена IL2RA с заменой rs12722489 и без нее в присутствии маркера -  белка люциферазы жуков-светлячков. Этот белок в сочетании с люциферином тех же светлячков вызывает биолюминесценцию – химическую реакцию, сопровождаемую испусканием света. Это стандартный прием генной инженерии, позволяющий по силе свечения определить активность транскрипции. Итак, одна кольцевая конструкция содержала A-вариант, другая – G-вариант.  В первом случае в кольцевую ДНК вставили копию участка, с которого происходит запуск транскрипции IL2RA, за ним - ген люциферазы, а дальше – копию участка с rs12722489. «Кольца» поместили внутрь живых клеток, чтобы запустить внутриклеточные реакции. В итоге, вариант с буквой G  продемонстрировал свечение в 1,5 раза более интенсивное!

Тестовая конструкция кольцевой ДНК с заменой rs12722489. Промотор – участок, на котором происходит запуск транскрипции, показан светло-зелёным цветом. Далее идет ген люциферазы. Красным обозначена область, содержащая замену.

В этом же эксперименте авторы показали, что при отсутствии эстрогена – фактора транскрипции - сила свечения у А- и G-аллелей одинаковая. Для доказательства того, что фактор транскрипции ЕRa (альфа) предпочитает связываться с G-вариантом, использовались еще три экспериментальных метода. Таким образом, по крайней мере, в клеточных структурах замена rs12722489 влияет на производство белка IL2RA. Если в определенном месте находится буква G, то участок ДНК связывается с транскрипционным фактором ERa (альфа), который усиливает транскрипцию гена IL2RA. В результате же замены на букву А может получаться меньше белка, что, возможно, снижает склонность к аутоиммунных заболеваниям. Получается, большая часть человечества имеет к ним врожденную предрасположенность!

Конечно, по одной букве диагноза не поставить, но чем больше мы узнаем о генетике болезней, тем диагноз становится точнее, а лечение и профилактика – современнее. Сейчас же лишь небольшое число генов изучено столь подробно.

Чат-боты, шопинг и нейронные сети Далее в рубрике Чат-боты, шопинг и нейронные сетиЧто мы знает об искусственном интеллекте? Читайте в рубрике «Инновации» Станислав Протасов: «Технологии Acronis спасают миллионы»Сооснователь IT-гиганта представил в Технопарке МФТИ настоящий гоночный болид «Формулы-1» Станислав Протасов: «Технологии Acronis спасают миллионы»

Комментарии

Авторизуйтесь чтобы оставлять комментарии.
Интересное в интернете
Не пропустите лучшие материалы!
Подпишитесь на «Русскую планету» в социальных сетях
Каждую пятницу мы будем присылать вам сборник самых важных
и интересных материалов за неделю. Это того стоит.
Закрыть окно Вы успешно подписались на еженедельную рассылку лучших статей. Спасибо!
Станьте нашим читателем,
сделайте жизнь интереснее!
Помимо актуальной повестки дня, мы также публикуем:
аналитику, обзоры, интервью, исторические исследования.
личный кабинет
Спасибо, я уже читаю «Русскую Планету»