Создан атлас активности генов в клетках и тканях человека

На эмблеме проекта FANTOM обозначены главные цели и главные достижения коллектива: атлас экспрессии промоторов, атлас энхансеров (регуляторных элементов), атлас коэкспрессии генов в клетках. Фото с сайта fantom.gsc.riken.jp

Международный консорциум ученых из 20 стран рапортовал на страницах Nature о завершении очередного этапа проекта FANTOM, цель которого — составить карту генов, работающих в различных тканях и клетках млекопитающих, в первую очередь человека. В результате масштабных исследований такую карту составили: теперь можно увидеть не только где и какие гены работают, но и как они регулируются — то есть понять, как те или иные клетки обретают свою индивидуальность. Составленный атлас имеет огромный потенциал как для исследований, так и для развития индивидуальной и регенеративной медицины.

Кэп-анализ экспрессии генов (Сap Analysis Gene Expression, CAGE) — методика, с помощью которой можно определять последовательности ДНК, с которых начинается считывание генов. Длина и состав этих начальных участков позволяет судить об активности того или иного гена, а также о том, какие элементы регулируют его экспрессию. Методика была разработана в 90-е годы группой ученых под руководством Йошихиде Хайяшизаки (Yoshihide Hayashizaki) в японском Институте физико-химических исследований (RIKEN). Ученые прекрасно понимали перспективность новой технологии исследования генной активности, и в 2000 году они инициировали крупномасштабный проект FANTOM (Functional Annotation of Mammalian Genomes). В основе его лежит именно методика CAGE. Цель проекта заключалась, очевидно, не только и не столько в проверке эффективности метода, сколько в его перспективных возможностях: понять, какие гены, где и насколько активно работают.

Эта задача по масштабу сродни проекту по прочтению человеческого генома, но здесь, помимо общих функций генов и их регуляторных путей, приплюсовывается еще специфика тканей и клеток. Ведь в организме работает около 400 различных типов клеток, во всех этих клетках гены одинаковые, но клетки при этом работают по-разному. Методика CAGE дает возможность понять, в каких клетках какие гены активны и какими путями происходит их активация и торможение. Иными словами, как на генном уровне происходит разметка организма на органы и ткани.

Понятно, что задача колоссальная по масштабу, но при этом решаемая. Работа ведется в 114 лабораториях в 20 странах — из этих цифр ясна глобальность и понимание актуальности исследований мировым сообществом. Из России в проекте принимала участие группа доктора биологических наук Всеволода Макеева из Института общей генетики имени Н. И. Вавилова РАН. Проект выполнялся в пять этапов, и участники FANTOM гордятся своей историей (и даже немножко обижаются, что доля их достижений в проекте «Геном Человека» никак не отмечена). Результаты последнего этапа — FANTOM5 — представлены в 18 статьях, вышедших в том числе в журнале Nature. Они описывают карту работы генов: в них отражена пространственная, то есть тканеспецифичная, разметка генов.

Если очень грубо описать «единичный элемент» работы, то получится примерно такая схема. Сначала фиксируется экспрессия начальных сайтов каждого гена. Затем регистрируется тем или иным способом, сколько раз происходило считывание каждого нуклеотида; далее строится частотная диаграмма «активности» выбранного участка. Эта диаграмма анализируется статистически: значимые пики отделяются от незначимых. Также учитываются систематические ошибки, которые происходят при считывании экзонов и интронов. В результате получается ряд пиков, которые отражают активность участков промоторов и их регуляторных элементов. Для каждого гена (то есть его промотора) в разных типах клеток и тканей такие диаграммы имеют свои индивидуальные черты — специфические уровни экспрессии, специфические ингибиторы и энхансеры. Помножьте это на число генов и на число тканей и получите сильно заниженную оценку объема проделанной молекулярно-генетической и биоинформационной работы. Таким путем было выявлено около 3,49 млн пиков у человека и 2,088 млн — в тканях мыши. Не позавидуешь! Но с другой стороны, трудно представить более полезную и потенциально востребованную работу.

Рис. 1. Начальный участок считывания гена B4GALT1, кодирующего один из мембранных белков. Это участок из 266 нуклеотидов, который был поделен на 6 групп (они обозначены внизу черными стрелками). Каждой группе соответствовал пик числа считанных нуклеотидов, проявляющийся устойчиво в разных условиях. Картина проявления пиков специфическая для разных типов клеток: Т-клетки CD4+ (синие), моноциты (желтые), клетки гладкой мускулатуры аорты (зеленые), культура раковых клеток коры надпочечников (красные). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Эта карта, или, как ее назвали участники работы, «атлас» (A promoter-level mammalian expression atlas), демонстрирует, какими путями идет регуляция всех генов в разных клетках. Это своего рода наглядная глобальная база данных по регуляции. Правда, разобраться в ней под силу лишь специалистам. На рис. 1 — одна из страниц этого атласа, показанная в публикации в Nature; она явно рассчитана на хладнокровных читателей с глубокими знаниями по молекулярной генетике.

Рис. 2. Упрощенная (sic!) схема синхронной экспрессии (коэкспрессии) взаимоувязанных генов. Всего 4882 группы промоторов (один узел — одна группа, здесь показано 4664 группы), объединяющие 124 090 промоторов во всех тканях. Радиус узла соответствует числу промоторов в группе. Линии указывают значимые связи между группами, цветами обозначены рыхлые ассоциации коэкспрессирующихся групп; подписи представляют основные типы клеток в той или иной ассоциации. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Самые первые заключения из этой работы были такие. Многие промоторы в клетках млекопитающих составлены из нескольких точек (сайтов) начала считывания. Определяющим для клетки оказывается, с какого из них начинается считывание. В каждой конкретной клетке реально работают лишь немного генов. Важно, что эволюция тканеспецифичных участков промоторов шла быстрее и иными путями, чем неспецифичных участков; последние оказались относительно консервативными.

Однако очевидно, что потенциал данной работы много больше, чем даже эти важные заключения, и он лежит в практической сфере. Анализируя взаимосвязи активности генов можно понять, как и какие изменения в геноме приводят к заболеваниям. Таким образом, мы начинаем осваивать область персонализированной терапии и регенеративной медицины. Институт общей генетики заслуженно поздравил участников данной работы (в том числе и своих коллег) с успешным завершением этого важного этапа проекта.

Источник: The FANTOM Consortium and the RIKEN PMI and CLST (DGT). A promoter-level mammalian expression atlas // Nature. 2014. V. 507. P. 462–470.

Елена Наймарк