Вычислительный инструмент для отображения изменений в геноме помогает исследователям увидеть ДНК в трёхмерном пространстве

от

Новое исследование из Висконсинского института открытий решает сложную задачу упаковки. Благодаря разработке мощного нового вычислительного инструмента, представленного в исследовании, опубликованном в журнале Genome Research, учёные могут лучше исследовать, как геномы вписываются в крошечное пространство ядра клетки, как они переупаковываются в различных биологических измерениях и как это влияет на экспрессию генов и риск заболеваний.

Геномы могут быть огромными, и их часто необходимо переупаковывать по мере развития и специализации клеток, на разных стадиях развития, при различных болезненных состояниях и в другие моменты времени. Экспрессия генов должна быть тщательно скоординирована, поскольку изменения в трёхмерной структуре генома связаны со сдвигами в активности генов, которые связаны с такими заболеваниями, как рак и генетические нарушения.

Исследователи Сушмита Рой и Да-Инн Ли, окончившие Университет Висконсин-Мэдисон в мае прошлого года, разработали вычислительный метод под названием Tree-Guided Integrated Factorization (TGIF), который создаёт математическую модель сворачивания ДНК на основе метода машинного обучения, называемого матричной факторизацией.

Рой и Ли надеются, что этот инструмент поможет систематически изучить, как изменения в ДНК в разных измерениях влияют на такие черты, как контроль цвета волос или генетические заболевания.

«Одним из фундаментальных вопросов в геномике млекопитающих является то, как ДНК упакована внутри ядра, чтобы соответствующие части были доступны для чтения клеткой, а другие части были убраны в зависимости от контекста; это особенно сложно, поскольку большая часть ДНК не кодирует белки», — говорит Сушмита Рой, профессор биостатистики и медицинской информатики и сотрудник WID.

Некодирующая ДНК исторически не считалась очень полезной, поскольку в ней нет кода для важнейших белков, которые выполняют такие функции, как построение или восстановление тканей, борьба с инфекциями и контроль химических реакций. Однако учёные узнают, что некодирующая ДНК выполняет важные функции, например, инструктирует или регулирует, какие гены должны быть активными, а следовательно, какие белки должны быть созданы.

«Что мы до сих пор не до конца понимаем, так это то, какие участки ДНК контролируют какие гены. Поэтому изучение того, как ДНК упакована в ядре, может стать ключом к открытию новых идей о регуляции генов в нормальных клеточных функциях и риске заболеваний», — говорит Рой.

Предыдущие методы искали, как эти изменения происходят в парах временных точек или условий. Лаборатория Роя хотела создать инструмент, который мог бы отслеживать изменения в нескольких временных точках и учитывать сложные структуры.

При тестировании аналитической основы они обнаружили сильную корреляцию между крупными и мелкими изменениями в трёхмерной структуре генома и сдвигами в экспрессии генов, особенно в генах, участвующих в функциях, специфичных для временных точек. Они также изучили границы между тесно взаимодействующими регионами генома и обнаружили, что стабильные границы часто были связаны с генетическими вариантами, ассоциированными с заболеваниями.

«Это важный шаг к пониманию взаимосвязи между генотипом и фенотипом», — говорит Рой, «которая играет ключевую роль в том, как организмы функционируют в различных условиях окружающей среды. Например, мы обнаружили, что консервативные границы были связаны с однонуклеотидными полиморфизмами, участвующими в сердечно-сосудистых заболеваниях».

С помощью этого нового инструмента команда WID добавляет важную часть к загадке регуляции генов — ту, которая может помочь учёным лучше понять не только то, как работает геном, но и то, как его форма формирует нас.

Предоставлено Университетом Висконсин-Мэдисон.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте