Освещение темной материи в ДНК человека: исследование хроматина в геноме человека
Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего создали атлас одноклеточного хроматина для генома человека. Хроматин — это комплекс ДНК и белка, обнаруженный в эукариотических клетках; участки хроматина в ключевых регуляторных элементах генов появляются в открытых конфигурациях в определенных клеточных ядрах. Точное определение этих доступных участков хроматина в клетках различных типов тканей человека было бы важным шагом на пути к пониманию роли регуляторных элементов генов (некодирующей ДНК) в здоровье или заболевании человека.
Для ученых геном человека, обычно называемый «книгой жизни», по большей части не написан и не прочитан. Хотя известно приблизительное число всех генов, кодирующих белок, необходимых для построения человека, примерно 20000+, эта оценка на самом деле не объясняет, как именно работает процесс строительства или, в случае болезни , что может пойти не так.
«Человеческий геном был секвенирован 20 лет назад, но интерпретация смысла этой книги жизни продолжает оставаться сложной задачей», — сказал Бинг Рен, директор Центра эпигеномики, профессор клеточной и молекулярной медицины в Калифорнийском университете Сан Диего.
«Основная причина заключается в том, что большая часть последовательности ДНК человека, более 98 процентов, не кодирует белки, и у нас еще нет книги генетических кодов, чтобы разблокировать информацию, встроенную в эти последовательности».
Другими словами, это немного похоже на знание названий глав, но при этом остальные страницы книги остаются пустыми.
Попытки заполнить пробелы широко отражены в продолжающейся международной работе под названием «Энциклопедия элементов ДНК» (ENCODE) и включают работу Рена и его коллег. В частности, они исследовали роль и функцию хроматина, комплекса ДНК и белков, которые образуют хромосомы в ядрах эукариотических клеток.
ДНК несет генетические инструкции клетки. Основные белки хроматина, называемые гистонами, помогают плотно упаковать ДНК в компактную форму, которая умещается в ядре клетки. (примерно два метра ДНК заключено в каждое ядро клетки и примерно 15 миллиардов км в каждом человеческом теле.) Изменения в том, как хроматин связывает ДНК, связаны с репликацией ДНК и экспрессией генов.
После работы с мышами Бинг Рен и его сотрудники обратили внимание на одноклеточный атлас хроматина в геноме человека.
Они применили анализы к более чем 600000 человеческих клеток, отобранных из 30 типов тканей взрослого человека от нескольких доноров, а затем объединили эту информацию с аналогичными данными из 15 типов тканей плода, чтобы выявить состояние хроматина примерно на 1,2 миллиона кандидатов цис-регуляторных элементов в 222 различных типа клеток.
«Одной из первоначальных задач было определение наилучших экспериментальных условий для такого разнообразного набора типов образцов, особенно с учетом уникального состава каждой ткани и чувствительности к гомогенизации», — говорят ученые.
Цис-регуляторные элементы — это участки некодирующей ДНК, которые регулируют транскрипцию (копирование сегмента ДНК в РНК) соседних генов. Транскрипция — важнейший процесс преобразования генетической информации в действие.
«Исследования последнего десятилетия показали, что вариации последовательности в некодирующей ДНК являются ключевым фактором мультигенных признаков и заболеваний, таких как диабет, болезнь Альцгеймера и аутоиммунные заболевания в человеческих популяциях».
«Новая парадигма, которая помогает объяснить, как эти некодирующие варианты способствуют развитию заболеваний, постулирует, что эти изменения последовательности нарушают функцию транскрипционных регуляторных элементов и приводят к нарушению регуляции экспрессии генов в типах клеток, имеющих отношение к заболеванию, таких как нейроны, иммунные клетки или эпителиальные клетки. Однако основным препятствием для разблокирования функции некодирующих вариантов риска является отсутствие специфичных для клеточного типа карт транскрипционных регуляторных элементов в геноме человека».
Новые результаты идентифицируют типы клеток, относящиеся к заболеваниям, для 240 мультигенных признаков и заболеваний, а также аннотируют риск некодирующих вариантов.
«Мы считаем, что этот ресурс значительно облегчит изучение механизмов широкого спектра заболеваний человека на многие годы вперед» — говорят исследователи.
По словам ученых, атлас хроматина также позволит научному сообществу выявить специфические для тканевой среды различия типов клеток, которые находятся во многих тканях, таких как фибробласты, иммунные клетки или эндотелиальные клетки.
Результаты опубликованы в выпуске Cell от 12 ноября 2021 года.