Составлен каталог сотен тысяч нуклеотидных замен, влияющих на активность генов человека

Ученые из Института белка РАН (Пущино), Института общей генетики имени Н. И. Вавилова РАН (Москва) и Московского физико-технического института (Долгопрудный) составили каталог геномных вариантов, влияющих на посадку факторов транскрипции в различных типах клеток. Исследование поддержано грантами Российского научного фонда, статья с его итогами опубликована в журнале Nature Communications, кратко об исследовании рассказывается в пресс-релизе РНФ.

Транскрипцией молекулярные биологи называют считывание информации с молекулы ДНК в клеточном ядре. В ходе транскрипции на основе конкретного гена строится молекула РНК, которая поступает из ядра в рибосому, где служит инструкцией для синтеза определенного белка. Но значительная часть генома не содержит генов. Со временем ученые выяснили, что многие такие «некодирующие участки генома» играют тем не менее важную роль в траскрипции. Они служат посадочными площадками для специальных белков — факторов транскрипции, — которые управляют работой генов. Замены нуклеотидов в пределах этих посадочных площадок могут влиять на их взаимодействие с факторами транскрипции и таким образом изменять активность подконтрольных генов, из-за чего развивается ряд патологий.

«Для нас важнейшая цель — выявить тройки "регулятор – ген – тип клеток", связанные с определенной нуклеотидной заменой. Несмотря на то, что регуляция транскрипции изучается уже более 50 лет, сегодня доступна только верхушка айсберга: известна лишь небольшая часть регуляторных вариантов, которые влияют на посадку конкретных факторов транскрипции в определенных типах клеток. Это связано с тем, что эксперименты проводят на культивируемых клетках. С одной стороны, они сохраняют свойства исходных тканей, включая распространенные генетические вариации. С другой стороны, мы сталкиваемся с уникальными особенностями, например, глобально измененной копийностью хромосом, что существенно осложняет статистический анализ», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Иван Кулаковский, один из авторов статьи, доктор биологических наук, старший научный сотрудник Института белка РАН.

Авторы исследования провели масштабный вычислительный анализ опубликованных экспериментов по картированию взаимодействий регуляторных белков и ДНК. С помощью продвинутого статистического подхода им удалось единым образом проанализировать результаты нескольких тысяч экспериментов для разнообразных типов клеток. Полученная карта содержит сотни тысяч событий так называемого аллель-специфичного связывания, когда разница в один нуклеотид в конкретном участке пары хромосом (аллельный вариант) приводит к тому, что регуляторный белок предпочтительно связывается с одной хромосомой из пары. Сопоставление с данными о генетике различных заболеваний показало: те варианты, которые приводят к потере связывания регуляторного белка (или, наоборот, к связыванию того, который раньше в этом месте не садился), гораздо чаще оказываются вовлеченными в развитие болезни.

«Конечно, мы всё еще на верхушке айсберга, но теперь здесь можно комфортно расположиться и продолжать исследования его подводной части. Наша коллекция далека от полноты, но содержит на порядок больше информации об аллель-специфичных взаимодействиях, чем было известно ранее. Особенно ценными эти данные могут оказаться для медицинских генетиков, которым важно понимать функциональную роль вариантов, расположенных в регуляторных областях генов. Наша карта будет полезна и вычислительным биологам для построения и проверки новых моделей взаимодействия факторов транскрипции и ДНК на основе машинного обучения», — говорит Иван Кулаковский.