Открыты генетические участки ДНК, играющие ключевую роль в развитии эмбриональных стволовых клеток
Более 2000 генетических участков, участвующих в ранней стадии развития человеческого эмбриона, были выявлены исследователями Медицинской школы Стэнфордского университета. Эти участки ДНК, называемые энхансерами (усилителями экспрессии генов), отвечают за запуск экспрессии дальних генов, когда эмбриональные стволовые клетки только начинают делиться, чтобы сформировать ткани растущего эмбриона.
«Это открытие представляет собой богатейший ресурс для исследователей, заинтересованных в отслеживании клеток, участвующих в ранних стадиях эмбрионального развития», – говорит доктор Иоанна Высоцка, старший преподаватель онтогенетики, биохимии и биологии систем. – Будет очень интересно выяснить, как эти энхансеры влияют на экспрессию генов в разных типах клеток».
Доктор Высоцка – ведущий автор исследования, опубликованного 15 декабря в онлайновом журнале «Nature». Соавтором исследования является доктор Альваро Рада-Иглесиас.
В процессе исследования ученые выяснили кое-что интересное о человеческих эмбриональных стволовых клетках, что явилось для них полной неожиданностью. Клетки готовятся к будущему развитию эмбриона, активируя группу энхансеров белками и специальными химическими маркерами. Эти «сбалансированные» энхансеры одновременно контролируются другими модификациями, которые поддерживают их в активном состоянии. После удаления этих модификаций (также известных как эпигенетические изменения) энхансеры могут быстро запустить экспрессию генов, необходимых для перехода от простой стволовой клетки к развивающемуся эмбриону.
Идентификация прежде неизвестных энхансеров и выявление механизма, с помощью которого они остаются инактивными, пока не потребуется их активация, стали случайным научным открытием. Высоцка и Рада-Иглесиас не собирались заниматься идентификацией энхансеров, участвующих в развитии эмбрионов. Вместо этого они искали участки, которые активировали гены, поддерживающие статус эмбриональных стволовых клеток.
«Мы хотим понять, каким образом геномная информация, объединяясь с эпигенетическими изменениями, участвует в выработке специфической регуляции в клетках, в данном случае – в стволовых клетках эмбрионов, – говорит Высоцка. – Зачастую эта регуляция осуществляется активацией гена с помощью удаленного энхансера».
Но бывает, что энхансеры трудно идентифицировать, потому что они активируют гены, находящиеся на расстоянии от десятков до сотен тысяч пар нуклеотидов от них; без проведения трудоемких генетических исследований редко бывает понятно, где могут располагаться энхансеры конкретного гена. Однако недавние исследования, идентифицирующие специфические модификации белка и ДНК, связанные с активными энхансерами, облегчают этот процесс.
Рада-Иглесиас смешал антитела, которые в частности распознавали эпигенетические изменения, вызванные активными энхансерами, с вытяжками из стволовых клеток человеческого эмбриона. Затем он использовал технологию, называемую иммунопреципитацией хроматина, для удаления антител из раствора и каталогизировал фрагменты ДНК, включенные в комплексы антител.
Как и ожидалось, он обнаружил около 5000 активных энхансеров-кандидатов, которые он назвал элементами класса I. Но 2200 других дополнительных участков поставили ученого в тупик. В этих участках наблюдались два типа модификаций – как активирующих, так и инактивирующих. Он заметил, что некоторые из этих двойственно маркированных ДНК располагались рядом с генами, которые участвовали в ранней стадии эмбрионального развития. Рада-Иглесиас назвал эти участки элементами класса II.
Для того чтобы проанализировать категории генов, которые могут контролироваться двумя классами энхансеров, Высоцка и Рада-Иглесиас использовали компьютерную программу под названием GREAT (Genomic Regions Enrichment of Annotation Tools), разработанную в лаборатории доктора Гила Бежерано, старшего преподавателя онтогенетики и информатики в Стэнфорде. Они подтвердили, что энхансеры класса I регулируют гены, которые активны в эмбриональных стволовых клетках, в то время как энхансеры класса II связаны с генами, участвующими в таких процессах, как гаструляция и образование зародышевых пластов, т.е. явлениями, происходящими на самой ранней стадии развития эмбриона.
«Когда мы сравнили экспрессию генов, контролируемых элементами класса I и класса II, мы обнаружили, что гены класса I были активными, что мы и ожидали увидеть в стволовых клетках человеческого эмбриона, а гены класса II были пассивными», – говорит Высоцка.
Однако когда ученые стимулировали дифференциацию стволовых клеток эмбриона в типах клеток, называемых нейроэктодерма, примерно 200 энхансеров класса II начали проявлять признаки класса I, и одновременно происходила активация связанных с ними генов. Ученые предполагают, что специфические наборы элементов класса II активируются во время развития различных типов тканей в процессе эмбриогенеза.
«Нами четко установлено, что способ, которым элементы класса II управляют эмбриональным развитием, носит тканеспецифический характер», – говорит Высоцка.
В заключение ученые прикрепили индивидуальные энхансеры к генам-репортерам, которые будут светиться зеленым при экспрессии. Когда они ввели конструкции энхансера-репортера в одноклеточные эмбрионы данио-рерио (рыбки, используемой в качестве модельного организма) и дали эмбрионам развиться, они увидели паттерн экспрессии гена, который отличался по месту и времени развития и имитировал экспрессию соседних генов, участвующих в нормальном эмбриогенезе рыбы.
«Очевидно, что эти энхансеры становятся активными в определенные периоды времени в процессе развития, – говорит Высоцка. – Сейчас мы располагаем более чем 2000 элементов, которые можно использовать для изучения развития эмбриона и выделить транзиторные клеточные популяции».
Кроме того, Высоцка и Рада-Иглесиас и их коллеги теперь заинтересовались механизмом, запускающим переключение элементов класса II из пассивного состояния в активное, а также тем, каким образом устойчивое состояние изначально устанавливается на этих элементах стволовых клеток эмбриона.
Источник: medicaldaily.com
Перевод: Medkurs.ru
- Открыта загадочная болезнь, имитирующая психическое расстройство
- Ожирение у матерей удваивает риск аутизма у детей
- Критические белки рака и места их взаимодействия
- Причины алкоголизма и наркомании
- Почему следует есть больше скумбрии и меньше лосося?
- Преимущества для здоровья от употребления мелкой рыбы
- Молекулярные причины болезни Альцгеймера
- Масло из фритюра способствует нейродегенерации
- Клюква повышает спортивные результаты
- Скрытая опасность усталости после сна
