Генетический детектив: «плохая» буква G

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

12 мая, 2017 19:30

4 мин

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.