Новые возможности в исследовании ДНК

24.05.201025200
Биологи знают, что определение нуклеотидной последовательности генома может помочь ответить лишь на малую часть вопросов, так как наследственная информация заложена не только в самой последовательности ДНК. Ключевые элементы клеточных процессов контролируются эпигенетическими особенностями – химическими модификациями ДНК, влияющими на работу генов. К сожалению, пока технологии секвенирования развиваются, предлагая более быстрые, дешевые и точные методы определения генетической последовательности, технологии выявления эпигенетических изменений стоят на месте.



ДНК-полимераза способна выявлять как генетические, так и эпигенетические элементы последовательности (фото: Laguna design).

Биотехнологическая компания Pacific Biosciences (США), предоставляющая услуги по секвенированию ДНК, недавно разработала комплексную систему, способную одновременно производить считывание генетической последовательности и выявлять ключевые эпигенетические модификации ДНК. «Это маленький, но все же важный шаг вперед», - говорит Джозеф Экер (Joseph Ecker), генетик из Института Салка (Salk Institute for Biological Studies) в городе Ла Джолла (Калифорния, США).

Одним из основных эпигенетических маркеров является метилирование ДНК, которое заключается в обратимом присоединении метильной группы к одному из азотистых оснований - цитозину. С помощью такой химической модификации можно, например, инактивировать определенный участок ДНК. Существуют и другие эпигенетические маркеры ДНК и ассоциированных с ней белков: например, модификации гистонов – белков, необходимых для сборки и упаковки нитей ДНК в хромосомы, а также активация малых РНК.

Золотым стандартом выявления метилированных элементов ДНК является метод бисульфитного секвенирования по Кларку, разработанный более 15 лет назад. Метод основан на превращении всех не метилированных остатков цитозина в другое азотистое основание – урацил, в результате обработки ДНК бисульфитом натрия. Последующее секвенирование последовательности позволяет выявлять цитозиновые остатки, которые в исходной нити были метилированы. Эта процедура весьма дорогостояща, занимает много времени и чревата повреждением ДНК, что снижает точность секвенирования. Кроме того, метод не выявляет метилирование адениновых оснований, которое очень распространено, например, у таких организмов, как бактерии.

Компания Pacific Biosciences разработала новый метод выявления метилированных нуклеотидов, основываясь на собственных технологиях секвенирования. ДНК-полимераза на основе одноцепочечной молекулы ДНК строит комплементарную ей нить, используя флуоресцентно меченые нуклеотиды. Присоединение очередного нуклеотида к растущей цепи вызывает вспышку флуоресценции, а, поскольку каждому нуклеотиду соответствует определенный цвет флуорофора, при помощи специального сканера можно определить последовательность de novo синтезированной нити ДНК. О наличии метилированных нуклеотидов ученые судят по изменению периода до следующей вспышки, так как метилирование влияет на активность полимеразы. Этот метод уже используется для определения метиладенина, метилцитозина, а также слабо изученной модификации – 5-гидроксиметилцитозина. «Мы надеемся, что с помощью этого метода можно будет унифицировать геномику и эпигеномику», - говорит главный разработчик и основатель компании Стефан Тернер (Stephen Turner).

«Мы не спешим внедрять методику в практику, так как она имеет ряд недостатков», - добавляет Экер. Во-первых, с помощью нее пока возможно секвенировать лишь короткие последовательности ДНК – не более тысячи пар оснований. Во-вторых, высока вероятность ошибки при детекции метилированного цитозина.

Тернер уверяет, что компания работает над решением этих проблем. В этом году планируется поставить на рынок первые секвенаторы, использующие флуоресцентную метку, а в следующем году исследователи рассчитывают запустить первую линию приборов, которые могли бы определять наличие метильных групп в ДНК.

Над подобными технологиями в настоящее время работает еще несколько компаний (например, Oxford Nanopore Technologies (Великобритания)), но разработки находятся на начальных этапах.

Многие видят за новой методикой большое будущее. «В настоящее время стоимость бисульфитного секвенирования для одного человека составляет свыше 100 тысяч долларов США, - говорит Роберт Мартинссен (Robert Martienssen), генетик из Лаборатории Колд Спринг Харбор (Cold Spring Harbor Laboratory) (Нью-Йорк, США), - Но благодаря новой методике цена на секвенирование (включая определение метилированных элементов) упадет до 100-1000 долларов США».

Остается множество вопросов, связанных с эпигенетикой, на которые еще предстоит ответить. Изменение эпигенетических модификаций чрезвычайно важно для протекания многих процессов в организме, в частности, при развитии рака. Показано, что в раковых клетках изменяется профиль метилирования. Интересен также факт, что одинаковые клетки одного и того же организма приобретают разные функции в зависимости от характера метилирования. Ученые надеются, что на эти и многие другие вопросы поможет ответить новая методика секвенирования.

Литература:
1. Flusberg, B. A. et al. Nature Meth. 2010

По материалам:
NatureNews

Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Вернуться к списку статей