Геномный анализ генов, управляющих делением клеток в многоклеточном организме

В учебниках кульминацией клеточного деления является «перетягивание каната» внутри делящейся клетки, когда дуплицированные пары хромосом растаскиваются в противоположные стороны в дочерние клетки. Этот процесс, митоз, впечатляет при наблюдении под микроскопом. Для биологов не менее впечатляющи подготовительные шаги, которые клетки предпринимают для его безопасного протекания.

Эти шаги «клеточного цикла» определяют как:

• G1 — проверка хромосом на повреждения и подготовка к репликации.
• S-фаза — репликация ДНК.
• G2 — финальная проверка удвоенных хромосом и сборка белкового аппарата для митоза.

Сбой любого шага опасен. Наиболее очевидно это при раке, когда контрольные точки G1 или G2 не срабатывают, и деление опухолевых клеток с онкогенными мутациями выходит из-под контроля.

Чтобы остановить аномальное деление, необходимо знать, какие гены активны в G1, а какие — в G2. Мэтт Гибсон, Ph.D. из Института медицинских исследований Стоуэрс, провел геномное сравнение генов, экспрессируемых в фазах G1 и G2, в ткани личинки плодовой мушки Drosophila melanogaster. Работа, опубликованная в Developmental Cell, каталогизировала более 300 генов, дифференциально экспрессируемых на этих этапах. Это первое такое исследование в многоклеточном организме.

Ранее подобные скрининги проводились на дрожжах или культивируемых клетках. «Мы исходили из принципа, что регуляция клеточного цикла в сложной ткани может сильно отличаться от деления клеток в чашке Петри», — говорит Гибсон.

Команда под руководством аспиранта Ляна Ляна, Ph.D., оптимизировала процедуру диссоциации ткани крылового диска Drosophila с сохранением жизнеспособности клеток. Затем живые клетки окрасили ДНК-связывающим красителем и с помощью проточной цитометрии разделили на две популяции: клетки в G1 (один набор генома) и клетки в G2 (два набора генома после репликации).

Микрочиповый анализ выявил все гены с разным уровнем экспрессии в этих популяциях: 431 ген был повышен в G1, а 336 — в G2. Команда подтвердила кандидатов, «нокаутируя» их по отдельности в крыловых дисках и наблюдая дефекты в крыльях взрослых мух в 80% случаев.

Многие ожидаемые гены активировались в «правильное» время: контролирующие репликацию ДНК — в G1, а регулирующие митоз — в G2. Неожиданностью стало сравнение данных с профилями культивируемых клеток Drosophila S2: многие из ~200 генов, дифференциально экспрессируемых в клетках диска, были равномерно экспрессированы в клетках S2, и наоборот.

«Нас поразила пластичность регуляции экспрессии генов клеточного цикла», — отмечает Лян. — «Каждое животное использует один и тот же клеточный аппарат, но его регуляция может сильно различаться в зависимости от типа клеток».

Результаты работы:

1. Создан общедоступный ресурс в репозитории данных Стоуэрс, где можно проверить экспрессию любого гена в G1/G2 в клетках крылового диска или S2.
2. Выявлены новые гены-кандидаты для изучения. Клетки крылового диска — эпителиальные, они делятся особым образом, совершая интеркинетическое движение ядра (IKNM) перед митозом. Гибсона интересует связь IKNM с клеточным циклом, особенно учитывая, что карциномы (рак эпителия) составляют >80% всех злокачественных опухолей.

Исследование выявило два гена, нокаут которых в крыловых дисках нарушает IKNM, не прерывая само деление. Интригующе, что один из них — длинная некодирующая РНК (lncRNA), загадочный класс РНК, которые не кодируют белки, но могут регулировать экспрессию генов.

Крис Сейдел, Ph.D., помогавший анализировать данные, сравнивает старый и новый подходы в геномике с картографией Земли до и после спутников. Раньше ученые, как Магелланы, изучали контроль цикла «ген за геном». «Теперь у нас есть инструменты, чтобы определить, как этот фундаментальный процесс тонко настраивается для работы в сложном контексте многоклеточного животного», — заключает Гибсон.