Участок сети, сосредоточенный вокруг гена циклооксигеназы-1 (COX1 или PTGS1), принимающей участие в синтезе простагландинов, контролирующих активность гладкой мускулатуры наряду со многими другими физиологическими функциями. (Фото: UCLA)
Ученые Калифорнийского университета в Лос-Анджелес (University of California Los Angeles, UCLA) составили одну из первых карт генома млекопитающих, показывающую не только порядок расположения генов в ДНК клеток, но и их взаимодействия друг с другом.
Работа, опубликованная в августовском номере журнала Genome Research, поможет ученым лучше понять, какие гены работают вместе, и пролить свет на то, как они «сотрудничают» друг с другом, помогая клеткам развиваться или умирать.
Геном млекопитающих, включая человека, состоит примерно из 20000 различных генов. Гены содержат инструкции для создания белков, которые определяют не только физические характеристики, такие как внешний вид, но и все протекающие в организме процессы – от движения крови по сосудам до стимулирования иммунной системы для атаки на вирусы. Часто они имеют решающее значение и для развития многих заболеваний.
Каждая клетка млекопитающих содержит полный набор генов, хотя не все гены активны. Они участвуют не только в одиночных взаимодействиях, но и создают широкие сети, включающие в себя десятки генов. О том, какие гены млекопитающих чаще всего работают совместно и какие сети они образуют, до сих пор было известно очень немного.
Для своего исследования ученые из UCLA использовали радиационные гибридные карты генома человека, разработанные несколько лет назад для проекта «Геном человека» (Human Genome Project), а также такие же карты, составленные для других млекопитающих – собак, кошек и мышей.
Они обнаружили значительные совпадения и общность взаимодействия генов и сетей у всех четырех видов, создав, таким образом, первую полную и всестороннюю карту генетических взаимодействий в клетках млекопитающих.
Предыдущие исследования картировали взаимодействия белков, приводимых в движение генами, но не самих генов. Картирование генов обеспечивает более прямую и практически полную информацию о силе межгенных связей. Исследователи считают, что им удалось сделать важный шаг к дальнейшему углублению понимания роли каждого гена в инициации любого протекающего в организме процесса.
«Мы были удивлены, что никто не сделал этого раньше, и что это так хорошо работает», - говорит автор исследования Десмонд Смит (Desmond Smith), профессор кафедры молекулярной и медицинской фармакологии Школы медицины Дэвида Геффена (David Geffen School of Medicine) UCLA. «Современная наука о геноме, хотя и находящаяся еще в зачаточном состоянии, накопила огромное количество информации, которого будет достаточно для совершения открытий, таких как наше, в течение десятилетий. Мы лишь слегка поцарапали поверхность».
Чтобы разобраться во взаимодействии генов ученые статистически проверили, как часто в клетке один ген появляется с другим и какие из них появляются вместе наиболее часто.
Они установили, что гены, которые часто появляются одновременно в радиационных гибридных клетках, даже если в геноме они находятся далеко друг от друга, могут действовать совместно. Сеть из более чем 7 миллионов взаимодействий охватывает по существу все гены генома млекопитающих.
Новые открытия выходят далеко за рамки простого понимания, где расположен ген, то есть того порядка, в котором гены находятся в ДНК клетки.
«Современные генетические карты показывают порядок расположения генов и где они физически расположены, как карты улиц с домами», - говорит Смит. «Мы пошли на шаг дальше и смогли установить, какие гены взаимодействуют друг с другом, когда они покидают свои дома и идут на работу».
«Изучая сеть «друзей» и «коллег» какого-либо гена, мы сможем узнать его роль и назначение», - говорит автор работы Энди Лин (Andy Lin), сотрудник отделения молекулярной и медицинской фармакологии UCLA. «Картирование взаимодействий генов важно как для фундаментальной науки, так и для клинических исследований».
По мнению ученых некоторые гены обнаруживают более интенсивные взаимодействия, чем другие, и эта информация может оказаться очень полезной при поиске специфических мишеней для лекарственных препаратов для лечения таких заболеваний, как рак.
Смит сравнивает генную сеть, принимающую участие в развитии заболевания, с миром криминала.
Наиболее интенсивно взаимодействующий ген представляет собой кого-то могущественного, как Аль Капоне, окруженного своей бандой гангстеров. Если у нас нет лекарственного препарата, мишенью которого является этот главный ген, может существовать средство, которое эффективно выбьет ген второго ранга, начав фланговую атаку, подрывающую действия главного гена». Их открытия, считают исследователи, помогут ученым в этой области.
«Карта взаимодействий, созданная в UCLA, значительный шаг вперед, который поможет расширить понимание рабочих взаимоотношений между генами», - считает Тара Мэтис (Tara C. Matise), доцент кафедры генетики в Университете Рутгерса (Rutgers University) и директор Лаборатории вычислительной генетики (Laboratory of Computational Genetics), не принимавшая участия в этой работе. «Чем больше информации мы получаем о генетических взаимодействиях, тем эффективнее ученые смогут проводить исследования, направленные на практическое применение научных открытий».
