Модель для лучшего прогнозирования непредсказуемых побочных эффектов генной модификации

Исследователи заинтересованы в генетической модификации деревьев для различных целей: от биотоплива до производства бумаги. При этом они стремятся избегать модификаций с непреднамеренными последствиями. Эти последствия могут возникнуть, когда целевые изменения одного гена приводят к неожиданным изменениям в других генах. Новая модель призвана прогнозировать такие изменения, помогая избежать непредвиденных результатов и открывая путь к более эффективным исследованиям в области генной модификации и лесоводства.

Исследование сосредоточено на лигнине — сложном материале в деревьях, который придает им структуру. По сути, именно он делает древесину древесиной.

«Независимо от того, хотите ли вы использовать древесину как источник биотоплива или для создания целлюлозно-бумажной продукции, существует желание модифицировать химическую структуру лигнина, манипулируя специфичными для него генами, чтобы получить лигнин, который легче расщеплять», — говорит Кранос Уильямс, автор статьи и доцент электротехники и вычислительной техники в NC State. — «Однако вы не хотите вносить изменения в геном дерева, которые могут поставить под угрозу его способность расти или процветать».

Исследователи сосредоточились на тополе Populus trichocarpa, который является широко используемым модельным организмом в генетике и биологии деревьев.

«Предыдущие исследования создавали модели, предсказывающие, как независимые изменения в экспрессии генов лигнина влияют на его характеристики», — говорит Меган Мэтьюз, первый автор статьи, бывший аспирант NC State и нынешний постдок в Университете Иллинойса. — «Однако эти модели не учитывают взаимные регуляторные влияния между генами. Поэтому, когда мы модифицируем целевой ген, существующие модели неточно предсказывают изменения в экспрессии других, нецелевых генов. Неспособность учесть эти изменения затрудняет разработку точных стратегий генной модификации, увеличивая риск непреднамеренных изменений в свойствах лигнина и древесины.

Чтобы решить эту проблему, мы разработали модель, способную предсказывать как прямые, так и косвенные изменения во всех генах лигнина, учитывая эффекты множественных типов регуляции. Это позволяет нам прогнозировать, как повлияет модификация на экспрессию как нецелевых, так и целевых генов».

«Еще одно ключевое преимущество этой работы по сравнению с другими моделями регуляции генов заключается в том, что предыдущие модели рассматривали только влияние модификаций на РНК», — добавляет Мэтьюз. — «Эти модели предполагают, что белки будут затронуты аналогично, но это не всегда так. Наша модель способна улавливать некоторые изменения в белках, которые не видны на уровне РНК, и наоборот.

Эта модель может быть интегрирована в более крупные мультимасштабные модели, предоставляя вычислительный инструмент для поиска новых подходов к генетической модификации видов деревьев с целью улучшения свойств лигнина для использования в различных отраслях промышленности».

Статья «Modeling cross-regulatory influences on monolignol transcripts and proteins under single and combinatorial gene knockdowns in Populus trichocarpa» опубликована в журнале PLOS Computational Biology.