База данных активности генов может спасти тысячи мышей

Ученые из Института Фрэнсиса Крика создали комплексную базу данных об активности генов у мышей в десяти моделях заболеваний, которая может значительно сократить использование животных во всем мире. Она дает полную картину иммунного ответа на различные патогены.

Данные, опубликованные в Nature Communications и доступные через онлайн-приложение, показывают активность каждого гена мыши — более 45 000 генов — в крови мышей с десятью различными заболеваниями. Для шести заболеваний, затрагивающих легкие, также были исследованы образцы из легких.

Ранее исследователям приходилось создавать, заражать, умерщвлять мышей, получать от них образцы, выделять и секвенировать РНК, чтобы изучить интересующие их гены. Используя новое приложение, созданное лабораторией для этого исследования, ученые смогут проверять активность любого гена при ряде заболеваний, не нуждаясь в собственных мышах. Это может предотвратить использование тысяч мышей в отдельных экспериментах.

Исследовательская группа под руководством лидера группы в Крике Энн О'Гарра и координатора Кристин Грэм использовала технологию секвенирования нового поколения 'RNA-seq' для измерения активности генов при разных заболеваниях. Поскольку генам необходимо транскрибировать свою ДНК в РНК, чтобы функционировать, анализ РНК показывает, насколько активен каждый ген — в данном случае после заражения или воздействия аллергена.

"Активность генов может показать нам, как организм реагирует на инфекции и аллергены. Существуют тысячи генов, вовлеченных в любой иммунный ответ, поэтому Акул Сингхания, биоинформатик-постдок в нашей лаборатории, использовал передовые биоинформатические подходы, чтобы сгруппировать гены в модули. Эти модули представляют собой кластеры корегулируемых генов, функцию и известные физиологические роли которых часто можно определить. Например, из 38 модулей легких есть модуль, связанный с аллергией и наблюдаемый только в аллергической модели, содержащий более 100 генов, и другой модуль, связанный с Т-клетками, содержащий более 200 генов".

"Секвенируя как ткань легкого, так и кровь, мы также можем увидеть, как иммунный ответ в крови отражает локальный ответ в легком, и наоборот. Это поможет нам понять, что мы можем узнать из генетических сигнатур в крови, поскольку при большинстве заболеваний врачи не могут реально получить образцы легких у пациентов".

Панорама патогенов

Используя новое приложение, исследователи по всему миру могут изучать активность генов в легких и крови мышей, зараженных рядом патогенов: паразитом Toxoplasma gondii, вирусом гриппа и респираторно-синцитиальным вирусом (RSV), бактерией Burkholderia pseudomallei, грибком Candida albicans или аллергеном — домашним пылевым клещом. Они также могут видеть активность генов в крови мышей с листерией, цитомегаловирусом мышей, малярийным паразитом Plasmodium chabaudi chabaudi или хронической инфекцией Burkholderia pseudomallei.

В исследовании команда проанализировала генетические сигнатуры, связанные с этими заболеваниями, чтобы понять иммунный ответ. Они обнаружили широкий спектр иммунных ответов в легком, где отдельные модули были представлены генами, ассоциированными с интерферонами I или II типа, IL-17 или аллергическими ответами. Известно, что интерфероны I типа высвобождаются в ответ на вирусы, в то время как интерферон II типа (IFN-γ) активирует фагоциты для уничтожения внутриклеточных патогенов, а IL-17 привлекает нейтрофилы, вызывая ранние воспалительные иммунные реакции. Интересно, что сигнатуры генов интерферона присутствовали в модулях крови аналогично легким, но ответы IL-17 и аллергические — нет.

Неожиданно гены, ассоциированные с интерфероном I типа, были высокоактивны как в легких, так и в крови мышей, зараженных паразитом Toxoplasma gondii, а также в ответ на бактерию Burkholderia pseudomallei, хотя и в меньшей степени. Это ставит под сомнение точку зрения, что гены, ассоциированные с интерфероном I типа, обязательно указывают на вирусные инфекции, как лаборатория ранее показала на примере туберкулеза.

"Мы обнаружили, что мыши без функционирующих путей интерферона были менее способны бороться с инфекцией Toxoplasma. Это было верно как для интерферонов I, так и II типа, которые имеют сложные взаимоотношения друг с другом. Мы обнаружили, что оба играют ключевую роль в защите от паразита, отчасти контролируя нейтрофилы в крови, которые в большом количестве могут нанести вред хозяину".

От устаревания к возможности

Исследовательский проект начался в 2009 году с использованием техники микрочипов (microarray) для обнаружения активности генов в образцах легких и крови и был почти завершен и готов к анализу к 2015 году. Микрочипы тогда были хорошо зарекомендовавшей себя техникой, но необходимые реагенты были внезапно сняты с производства до обработки последних образцов. Без оборудования для завершения секвенирования проект оказался под угрозой.

Поскольку технология микрочипов стала невозможной, команде нужен был другой подход. В это время на рынке появилась методика под названием RNA-Seq, предлагавшая лучший способ количественной оценки активности генов.

После переговоров между Энн и производителем ее команде бесплатно предложили передовые реагенты для RNA-Seq, чтобы повторно обработать образцы, начиная с конца 2016 года. Им также предоставили место для хранения огромных объемов генерируемых данных.

Поскольку тканевые и кровяные образцы из экспериментов с микрочипами были заморожены в хранилище, Кристин Грэм из лаборатории Энн смогла вернуться к тем же образцам и героически обработать их снова, на этот раз для РНК-секвенирования. Благодаря отличному хранению образцов это стало возможным без использования дополнительных животных. Хотя это было трудоемко и стало огромной задачей для Кристин, к 2018 году у команды были все необходимые данные секвенирования.

Имея огромный объем данных для обработки, Акул Сингхания занялся их осмыслением. Используя передовые биоинформатические методы, он сгруппировал тысячи генов и миллионы точек данных в осмысленную и визуальную форму, которую мы называем модулями, и создал приложение, чтобы сделать данные доступными для всех.

"Спустя десять лет после начала проекта у нас теперь есть открытый ресурс экспрессии генов, который любой в мире может использовать для поиска своих любимых генов, а также чтобы увидеть, регулируются ли они сигнализацией интерферона I или II типа. Никто не говорил, что наука — это легко, но она, безусловно, стоит того".