Опубликованы результаты исследований в рамках международного геномного проекта ENCODE

11.09.201227071

Большинство людей под понятием «ген» подразумевает последовательности ДНК, определяющие индивидуальные особенности организма, в том числе предрасположенность к наследственным заболеваниям. В школьных учебниках по биологии говорится, что гены копируются («транскрибируются») в молекулы РНК, которые затем используются в качестве матрицы для синтеза белков, служащих строительными блоками и механизмами для работы клеток. Как оказалось, все не так просто.

В результате огромной работы, выполненной в ходе проекта ENCODE (от англ. Encyclopedia of DNA Elements – энциклопедия элементов ДНК), группа исследователей под руководством профессора Томаса Джинджераса (Thomas Gingeras) из Лаборатории Колд-Спринг-Харбор (Cold Spring Harbor Laboratory, CSHL), опубликовала полногеномный анализ матричных РНК – транскриптов, синтезируемых на основе ДНК.

Результаты анализа, являющиеся лишь частью широкомасштабного исследования в рамках проекта ENCODE, проводимого в 32 институтах 5 стран, опубликованные в 30 статьях трех научных журналов, показали, что три четверти генома способны транскрибироваться. Это означает, что практически весь наш геном динамичен и активен. Кроме того, результаты серьезно противоречат устоявшейся точке зрения, согласно которой лишь небольшая, белок-кодирующая, часть генома транскрибируется и, следовательно, важна.

Огромные массивы данных, полученные благодаря усовершенствованным технологиям группой Джинджераса и другими исследователями, вероятно, значительно изменят существовавшее ранее определение гена.

Консорциум проекта ENCODE был учрежден в 2003 г. Национальным Институтом Исследования Генома Человека (National Human Genome Research Institute, NHGRI) при Правительстве США для изучения генома человека на более глубоком уровне. В то время геном рассматривался как линейная молекула ДНК с генами, расположенными в определенных участках, занимающих в сумме 1-2% всей длины молекулы ДНК. Длинная нить ДНК между островками генов в основном считалась нефункциональными связующими элементами, или «мусорной» ДНК.

Благодаря работе Джинджераса и его коллег в последней фазе проекта ENCODE стало понятно, что большая часть последовательностей вокруг белок-кодирующих генов также способна транскрибировать РНК, что указывает на ее полезные функции.

В предварительных результатах проекта ENCODE, опубликованных в 2007 г., ученые исследовали около 1% генома человека. Первоначальные результаты показали, что гораздо большая часть ДНК может транскрибироваться, нежели предполагалось ранее. И многие из этих последовательностей РНК, похоже, функционально значимы.

В ходе предварительной работы сотрудники лаборатории Джинджераса обнаружили потенциально новый класс функциональных РНК. Открытие того, что части одного гена или функциональной РНК могут располагаться внутри другого, оказалось неожиданным и позволило предположить новую картину устройства генома человека, более сложную, чем это предполагалось ранее.

О чем свидетельствуют результаты проекта ENCODE?

Две из 30 статей, опубликованных Джинджерасом и другими участниками проекта, в том числе профессором лаборатории Колд-Спринг-Харбор и исследователем Медицинского Института Ховарда Хьюса (Howard Hughes Medical Institute) Грегори Хэннона (Gregory Hannon), стали кульминацией второй фазы проекта. Отличительной особенностью анализа данных на этом этапе стала широта исследования. Изначальные наблюдения 2007 г. были расширены с целью охвата всего генома человека: в ходе работы исследователи проанализировали молекулы РНК из различных внутриклеточных компартментов 15 клеточных линий человека.

Несмотря на то, что результаты, полученные на разных клеточных линиях, значительно отличались, удалось получить общую картину. Помимо ранее установленного факта, что в РНК может транскрибироваться до трех четвертей нашей ДНК, полученные данные позволяют предполагать, что большая часть белок-не кодирующих молекул РНК локализована внутри клеток – в тех компартментах, где они выполняют свою роль.

Нерешенным ключевым вопросом в настоящее время остается природа и диапазон этих функций. Ученые полагают, что эти некодирующие транскрипты РНК действуют подобно компонентам гигантского распределительного щита, контролирующего сеть из множества событий, происходящих в клетке, путем регулирования процессов репликации, транскрипции и трансляции – основных механизмов реализации генетической информации.

«Помимо представления о том, что в РНК может транскрибироваться столь значительное количество ДНК, стало ясно, что между тем, что мы ранее считали генами, гораздо меньше пространства», - рассказывает Джинджерас.

«Мы видим, что границы того, что мы считали межгенными областями, сжимаются, - говорит исследователь, - а межгенные регионы занимает множество перекрывающихся последовательностей РНК. Очевидно, что границы традиционно описываемых генов, смыкаются, бросая вызов представлению о локализации генов в четко ограниченных участках генома, разделенных «инертной» ДНК. Нам необходимо новое определение гена».

Но в чем же практическая значимость проекта? По мнению Джинджераса, она заключается в способности определения генетических основ природных индивидуальных особенностей человека и предрасположенности к развитию различных заболеваний. Разные аллели, ассоциированные с каким-либо признаком, часто привязаны к тому, что считалось «связующей» областью.

«Благодаря нашему все более глубокому пониманию, что такие регионы имеют родство как с соседними, так и удаленными кодирующими регионами, посредством синтеза некодирующих РНК, мы будем искать объяснение фундаментальной связи генетического разнообразия и интересующих индивидуальных черт», - объясняет ученый.

Указанная тема исследуется во второй из недавно опубликованных статей, обобщающей открытия, сделанные всеми группами консорциума, принимавшими участие в нынешней фазе проекта ENCODE (The ENCODE Project Consortium. 2012. An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome. Nature -- doi:10.1038/nature11247).

«Исследование генома можно сравнить с попыткам исследовать физическую Вселенную, - говорит Джинджерас, - Мы ждем, что будущие попытки картировать и исследовать нашу персональную генетическую Вселенную удивят нас».

Статья «Ландшафт транскрипции человеческих клеток» ("Landscape of transcription in human cells") опубликована в журнале Nature (http://www.nature.com/), авторы Sarah Djebali, Carrie A. Davis и др. Другие результаты проекта ENCODE можно найти в публикациях журналов Nature (6 статей), Genome Research (18 статей) и Genome Biology (6 статей).

Все данные Консорциума ENCODE находятся в свободном доступе на портале ENCODE, в геномной базе Калифорнийского Университета в Санта-Круз (University of California at Santa Cruz genome browser) (США), на сайтах Национального Центра Биотехнологической Информации (National Center for Biotechnology Information) (США) и Европейского Института Биоинформатики (European Bioinformatics Institute). С основными вопросами, рассматриваемыми в статьях, можно ознакомиться через микросайт ENCODE на странице Nature.com/encode.

По материалам Cold Spring Harbor Laboratory


Комментарии к статье:
11.09.2012
Cell_Biologist: Авторы несколько преувеличивают заслуги проекта ENCODE, говоря о том, что именно в его рамках было показано, что транскрибируется куда больше, чем 1% генома. Все-таки, подобным исследованиям уже порядка 10 лет и работы проводились до начала проекта. Наверное, более-менее масштабы активности генома стали проясняться во время завершения проекта Human Genome.
Но в целом любопытно, насколько изменится в ближайшие годы концепция гена и представление о нем как дискретной единице генома.
Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Вернуться к списку статей