Исследователи расширили карту регуляторных элементов ДНК человека до 2,37 миллиона
Исследовательская группа под руководством докторов философии Ципина Вэна и Джилл Мур из Медицинской школы UMass Chan почти утроила известное количество потенциальных регуляторных элементов в геноме — до 2,37 миллиона. Это создаёт наиболее полную на сегодня карту последовательностей ДНК, которые контролируют, когда и где включаются и выключаются гены в человеческих клетках. Работа опубликована в журнале Nature.
Эти генетические переключатели, называемые cis-регуляторными элементами (CREs), находятся за пределами основных кодирующих белок последовательностей генов и контролируют транскрипцию соседних генов. CREs критически важны для специализированных генетических и биологических функций.
Используя этот реестр кандидатных CREs (cCREs), исследователи смогли показать, как крупномасштабные регуляторные карты могут выявлять ранее нераспознанные классы CREs и прояснять, как некодирующие генетические вариации влияют на признаки, специфичные для типа клеток.
"Понимание биологических контекстов и функций CREs необходимо для расшифровки функции генома и её влияния на здоровье и болезни", — пояснил Вэн.
Исследование проводилось в рамках проекта ENCODE (Энциклопедия элементов ДНК) — двадцатилетнего международного усилия по систематическому каталогизированию функциональных элементов геномов человека и мыши.
Хотя лишь небольшая часть человеческого генома кодирует белки, большая часть оставшейся ДНК выполняет регуляторную функцию.
"Геном содержит миллионы коротких регуляторных последовательностей, которые действуют как контрольные элементы для генов, включая или выключая их в определённых типах клеток, стадиях развития или условиях окружающей среды", — объяснила доктор Мур.
Используя ряд биохимических маркеров, улучшенный анализ и новые внешние наборы данных, последнее исследование расширило количество сайтов-кандидатов с 900 000 в геноме человека и 300 000 в геноме мыши до 2,37 миллиона и 927 000 соответственно.
"Более того, подмножества этих элементов избирательно активны в разных типах клеток и тканей, включая состояния, релевантные для развития и болезней", — добавила Мур.
Ключевым достижением работы стал масштаб функциональной характеристики. Вместо того чтобы выводить регуляторную активность только из структуры хроматина, команда интегрировала данные из широкой коллекции высокопроизводительных анализов. Всего для аннотации реестра cCREs было использовано 5 712 экспериментов на человеке и 758 экспериментов на мыши, выполненных Консорциумом ENCODE.
"В совокупности эти наборы данных обеспечивают некоторую форму функционального измерения для более чем 90% регуляторных элементов человека", — сказал Вэн. "Эта интеграция выявляет не только классические энхансеры, повышающие экспрессию генов, но и большое количество элементов ДНК, действующих как сайленсеры для подавления генов".
Исследователи также обнаружили, что некоторые регуляторные элементы могут функционировать как энхансеры в одном типе клеток и как сайленсеры в другом, в зависимости от комбинации присутствующих факторов транскрипции.
Расширенный реестр также служит мощной основой для интерпретации функции некодирующих вариантов последовательности ДНК, связанных с признаками и болезнями человека. Исследования ассоциаций по всему геному (GWAS) выявили десятки тысяч вариантов, связанных с такими распространёнными состояниями, как болезни сердца, диабет и шизофрения, но большинство этих вариантов лежат вне белков-кодирующих генов.
Наложив сигналы GWAS на карту потенциальных регуляторных элементов, активных в типах клеток, релевантных для признака, а затем используя результаты множественных высокопроизводительных анализов, исследователи могут связать эти регуляторные элементы с их вероятными генами-мишенями.
Применив эту стратегию к эритроцитам, Вэн и Мур смогли выйти за рамки простой генетической близости и определить, какие гены функционально контролируются последовательностями ДНК, несущими варианты, связанные с признаком. Их анализ показал, что эти варианты находятся в регуляторных областях, влияющих на ген KLF1, который действует как центральный переключатель для развития эритроцитов. Экспериментальное нарушение одной из этих регуляторных областей снизило активность KLF1, что дополнительно подтвердило эту связь.
В совокупности эти данные позволяют предположить, что KLF1 является наиболее вероятным основным геном, через который генетическая вариация в этом локусе влияет на признаки эритроцитов, хотя другие гены всё ещё могут играть второстепенную роль.
Объединив плотные регуляторные карты с функциональными анализами и данными генетики человека, работа ENCODE под руководством UMass Chan предоставляет фундаментальный ресурс для изучения регуляции генов, понимания программ развития и специфичных для клеток процессов, а также для прояснения того, как некодирующая вариация способствует развитию болезней человека.
Реестр cCREs доступен онлайн через обновлённый веб-портал.