Энхансер не имеет однозначных отношений с геном, который он контролирует. Напротив, энхансеров гораздо больше, чем генов, и их взаимосвязь неясна.
Многие ли энхансеры регулируют экспрессию данного гена в данной ткани, обеспечивая избыточность? Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) исследовали этот вопрос и общую важность энхансеров для развития в двух недавних исследованиях.Исследователи ответили на давний вопрос о роли энхансеров.
И за счет лучшей связи геномного дополнения организма с его выраженными характеристиками, их работа предлагает новые идеи, которые способствуют расширению области системной биологии, которая стремится получить прогнозное понимание живых систем.Идеальное сохранение
В своем новом исследовании, опубликованном в Cell, команда исследовала энхансеры, содержащие «ультраконсервативные элементы», которые имеют длину не менее 200 пар оснований и на 100% идентичны в геномах людей, мышей и крыс. Ультраконсервированные элементы прекрасно сохраняются более 80 миллионов лет с тех пор, как у этих млекопитающих был общий предок.Ранее группа индивидуально удалила четыре ультраконсервативных энхансера мозга в геноме мыши. Все четыре линии мышей были жизнеспособными и плодовитыми, что шокировало сообщества исследователей геномики и эволюционной биологии, которые считали, что эти энхансеры имеют решающее значение для жизни, поскольку они так хорошо сохранены.
«В нашем последующем исследовании мы хотели копнуть глубже, чтобы проверить два возможных объяснения», — сказала Дайан Дикель, научный сотрудник отдела экологической геномики и системной биологии лаборатории Беркли. «Во-первых, возможно, есть некоторая избыточность между этими последовательностями энхансеров, и потеря двух из них приведет к тому, что мыши станут нежизнеспособными или бесплодными. Во-вторых, возможно, у мышей действительно что-то не так, но это более тонко».В новом исследовании команда использовала инструмент редактирования генов CRISPR-CAS9 для дальнейшего изучения энхансеров рядом с геном Arx, который в случае дефекта вызывает неврологические расстройства и нарушения полового развития у мышей и людей. «Мы сосредоточились на Arx, потому что рядом с ним необычно большое количество очень длинных ультраконсервированных сайтов», — сказал Дикель, который руководил исследованиями вместе с Леном Пеннаккио и Акселем Визелем, старшими учеными из того же подразделения.
В частности, они отключили четыре усилителя мозга Arx, которые активны парами в верхней или нижней части переднего мозга. Когда эти энхансеры были удалены по отдельности, все мыши были жизнеспособными и плодовитыми, что подтверждает, что ультраконсервированные энхансеры не являются необходимыми для жизни в пределах данного поколения. Когда они были удалены парами с аналогичной активностью, мыши все еще оставались жизнеспособными и фертильными, что исключало избыточность в качестве основного объяснения отсутствия основных дефектов при нокауте отдельных ультраконсервированных энхансеров.Но были ли более тонкие дефекты мозга?
Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи объединились с Джоном Рубенштейном, нейробиологом из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, который провел углубленное неврологическое фенотипирование.В трех из четырех случаев с делецией только одного энхансера они обнаружили аномалии — либо в общем росте, либо в развитии мозга.
В одном случае у мышей был серьезный структурный дефект гиппокампа. В другом случае у мышей было меньше холинергических нейронов.«Изменения в мозге у этих мышей напоминают те, которые наблюдаются у людей с эпилептическими припадками или деменцией», — сказал Дикель. «Хотя мы еще не знаем, подвержены ли эти мыши такие проблемы, вполне вероятно, что физиологические изменения, которые мы обнаружили, выбраны в дикой природе, и именно поэтому вы поддерживаете высокий уровень сохранения на этих участках».Защитное резервирование
Хотя в геномах человека и мыши имеется всего несколько сотен ультраконсервативных сайтов, существует также около 100000 других, менее хорошо консервативных энхансеров. Дефекты, наблюдаемые при делеции отдельных ультраконсервированных энхансеров, поднимают вопрос, вызывает ли обычно делеция менее хорошо консервативных энхансеров аналогичные проблемы.
Дефекты — исключение или правило? Этот вопрос был изучен во втором исследовании, проведенном докторантом Марко Остервальдером, в котором основное внимание уделялось усилителям для конечностей. Усилители конечностей были нацелены, потому что конечности легко оценить, в отличие от неврологического фенотипа.
Как сообщается сегодня в Nature, команда удалила десять энхансеров конечностей рядом с генами, необходимыми для развития конечностей. Они ожидали увидеть какие-то аномалии, но все десять линий мышей имели совершенно нормальные конечности.Однако команда также наблюдала некоторые гены с двумя энхансерами, которые оказались активными одновременно во время развития конечностей. Когда команда выбрала такие пары усилителей конечностей с аналогичной активностью, они увидели такие характеристики, как дополнительные пальцы или различия в длине костей, что указывает на то, что эти усилители функционировали избыточно. «Это похоже на то, что у пилота и второго пилота есть дублирующие ручки управления в кабине», — пояснил Визель. «Любой из них может управлять самолетом, но у вас будут проблемы, если вы избавитесь от обоих джойстиков».
Чтобы определить, распространена ли такая система резервного копирования, команда компьютерно проанализировала наборы геномных данных из многих различных тканей. Они определили, что гены, которые контролируют центральные процессы в эмбриональном развитии, обычно снабжены наборами энхансеров, которые, вероятно, избыточны.
В более чем 1000 крайних случаях они обнаружили наборы из пяти или более энхансеров с аналогичными паттернами активности, контролирующих один и тот же ген.Несмотря на избыточность, эти энхансеры эволюционно консервативны, что заставляет ученых предполагать, что нарушение работы этих энхансеров может все же вызвать некоторое снижение приспособляемости в дикой природе, даже если оно настолько мало, что его нелегко обнаружить в лаборатории.
«Мы не говорим, что эти энхансеры совершенно избыточны в том смысле, что один или другой не важен, а, скорее, существует механизм защиты от вредных воздействий в порядке данного поколения», — резюмировал Пеннаккио. «Отбор происходит на протяжении многих поколений».Взятые вместе, эти исследования демонстрируют различную важность избыточности энхансеров. «Геном огромен, — сказал Дикель. «Трудно приспособить каждый локус в геноме к одной конкретной модели регуляции гена. Некоторые локусы имеют большую избыточность, чем другие».
Более широкие последствияТакие сложные вопросы, как эти, рассматриваются биологической системной наукой, где эти результаты могут быть использованы для понимания воздействия генетических нарушений на унаследованные и выраженные характеристики в более широком контексте.В конечном счете, команда заинтересована в том, способствуют ли мутации энхансеров развитию болезней человека. «Теперь, когда секвенирование всего человеческого генома стало реальностью, мы сосредоточены на изучении того, как человеческие мутации влияют на здоровье и развитие in vivo», — сказал Пеннаккио.
Исследование, финансируемое Национальным институтом здравоохранения, проводилось в лаборатории Беркли и является естественным развитием работы, начатой Министерством энергетики и переросшей в проект «Геном человека».