Ученые раскрыли, как регулируется биологическая активность в геномах плодовой мушки и круглого червя

Ученые опубликовали каталоги функциональных геномных элементов плодовой мушки (Drosophila melanogaster) и круглого червя (Caenorhabditis elegans). Это последовательности ДНК, которые несут инструкции и определяют, какие гены включаются и выключаются в разное время в разных клетках.

Геномы этих организмов, изначально секвенированные в рамках проекта "Геном человека", являются мощными моделями для понимания биологии и болезней человека, так как многие функциональные элементы сохранились на огромной эволюционной дистанции. Изучение этих элементов у мух и червей помогает понять, как работает геном человека в здоровье и при болезнях.

Результаты опубликованы в выпуске журнала Science от 24 декабря и подготовлены консорциумом modENCODE (model organism ENCyclopedia Of DNA Elements), финансируемым Национальным исследовательским институтом генома человека (NHGRI) при NIH. Более десятка сопутствующих статей modENCODE также опубликованы в Nature, Genome Research и Genome Biology.

Проект modENCODE был запущен в 2007 году для дополнения работы проекта ENCODE, создающего каталог функциональных элементов в геноме человека. Исследователи modENCODE использовали аналогичные и новые инструменты для работы с более компактными и удобными для анализа геномами мухи и червя. Важное преимущество — возможность проводить генетические эксперименты на этих организмах для проверки биологической значимости обнаруженных элементов.

Ключевые открытия:

  • Новые гены и транскрипты: Обнаружены сотни новых белков-кодирующих генов. В геноме червя выявлены тысячи новых и уточненных транскриптов генов, а также тысячи новых некодирующих РНК (ncRNA), регулирующих экспрессию генов.
  • Хроматиновые сигнатуры: Исследована организация хроматина (белковой структуры, упаковывающей ДНК) на разных стадиях жизни организмов. Обнаружены специфические "хроматиновые сигнатуры", связанные с включением или выключением генов.
  • Регуляторные сети: Для выявления участков, контролирующих время и место включения генов, ученые искали сайты связывания транскрипционных факторов. В обоих организмах обнаружены перекрывающиеся регионы генома, связывающие множество регуляторных белков — так называемые высокозаселенные мишени (HOT).
  • Интеграция данных и моделирование: Объединение данных о транскриптоме, хроматине, ncRNA и репликации ДНК позволило построить предсказательные модели, связывающие регуляторные элементы с изменениями экспрессии генов на разных стадиях жизни. Это дало возможность предсказать функцию и экспрессию тысяч генов.

Значение работы:

Результаты modENCODE позволяют ученым перейти от простого "чтения букв" геномной последовательности к определению "слов и знаков препинания" — функциональных элементов и правил их регуляции. Это создает основу для углубленного изучения биологии модельных организмов и, как следствие, понимания здоровья и болезней человека.

В ближайший год исследователи modENCODE продолжат работу по расширению каталогов функциональных элементов. Сравнение данных по червям, мухам и людям позволит глубже понять регуляторные принципы в каждом геноме.