Исследование «тёмных» участков генома проливает свет на то, как клетки реагируют на окружающую среду

Исследователи из Университета Дьюка использовали технологии CRISPR, чтобы обнаружить ранее не описанные участки ДНК в «тёмном геноме», которые отвечают за контроль того, как клетки воспринимают механические свойства своего локального окружения и реагируют на них.

Понимание влияния ДНК на функции клеток

Понимание того, как эти последовательности ДНК влияют на клеточную идентичность и функции, может дать исследователям новые терапевтические мишени для лечения заболеваний, связанных с изменениями механических свойств тканей, включая фиброз, рак и инсульт, а также долгосрочные проблемы, такие как нейродегенерация и старение. Исследование [опубликовано](https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl1988) в журнале Science.

Роль локального окружения клетки

Локальное окружение клетки играет решающую роль в определении её функций и характеристик, которые она развивает в различных тканях. Достижения в области эпигенетического профилирования и инструментов скрининга на основе CRISPR позволили исследователям изучить, как химические стимулы, такие как гормоны, сигнальные белки, подобные цитокинам, и даже фармакологические препараты, могут формировать экспрессию генов. Однако до конца не изучено, как механическая структура, такая как жёсткость тканей или внешние силы, влияет на функции клеток.

Чарли Герсбах, профессор биомедицинской инженерии и директор Центра передовых геномных технологий Дьюка (CAGT), сказал: «Механические стимулы из микроокружения клетки также являются мощными регуляторами многих фундаментальных клеточных процессов, включая рост, смерть, дифференцировку и миграцию».

Нераскрытые механизмы

«Мы знаем, что эти физические стимулы играют ключевую роль в развитии тканей, регенерации, старении и патологии заболеваний, таких как фиброз и образование опухолей, но точный механизм их действия было трудно понять», — добавил он.

Крейг Кроуфорд, ещё один участник исследования, отметил: «Только 1–2% нашего генома кодируют гены. Остальные 98% генома явно играют важную роль в формировании клеточной идентичности, реакции на окружающую среду и восприимчивости к заболеваниям, но до недавнего времени у нас не было инструментов для изучения функции этой «тёмной» части нашего генома».

Значимая функция «тёмного» генома

Значимой функцией «тёмного» генома является действие в качестве «усилителей» генов — повышение или понижение их активности в различных ситуациях. Однако в значительной степени неизвестно, где находятся эти усилители в нашей последовательности ДНК, какие гены они контролируют и как это связано с взаимодействием клеток и окружающей среды.

Герсбах и Кроуфорд в течение последнего десятилетия тесно сотрудничали в рамках Duke CAGT, чтобы решить эту задачу. Для понимания того, как клетки ощущают своё механическое окружение, их команда объединилась с Брентом Хоффманом, доцентом кафедры биомедицинской инженерии и экспертом в области механиобиологии.

Под руководством постдокторанта Брайана Косгроува они создали гидрогели, имитирующие ткани различной жёсткости, и культивировали клетки на этих гелях. Затем исследователи использовали инструменты секвенирования для количественной оценки уровней РНК и картирования регионов открытого хроматина или доступной ДНК, чтобы определить изменения в экспрессии генов и структуре генома в каждом образце.

«Всего за 20 часов на разных гелях мы наблюдали изменения в уровнях тысяч генов и структуре почти пятидесяти тысяч регионов генома», — сказал Хоффман. «Это подчёркивает глубокое влияние механического микроокружения на клеточную биологию и проясняет, как изменения в структуре тканей могут играть значительную роль в таких заболеваниях, как фиброз и рак».

Определение влияния «тёмного» генома на функции клеток

Определить, какие изменения в «тёмном» геноме влияют на функцию клеток, действуя как усилители определённых генов, было сложнее. Для этого команда использовала CRISPR, чтобы подавить активность в каждом регионе ДНК и определить результирующие эффекты на рост и миграцию клеток.

Регионы, которые показали сильные функциональные эффекты, были дополнительно профилированы путём измерения уровней каждого гена в ответ на блокировку этих усилителей с помощью CRISPR. Регионы, которые изменили структуру в ответ на локальные механические свойства, изменили рост клеток и/или миграцию и контролировали уровни специфических генов, были названы «механоусилителями», чтобы отразить их роль в регуляции клеточного ответа на окружающую среду.

Чтобы лучше понять функцию механоусилителей и их роль в заболеваниях, исследователи объединились с Яруи Диао и Пурушотамой Татой, доцентами клеточной биологии и членами Duke CAGT.

Диао, эксперт в методах анализа физических взаимодействий усилителей и генов, показал, что механическое окружение фактически изменяет контакт механоусилителей с их генными мишенями. Тата, изучающий лёгочный фиброз и регенерацию, предоставил образцы биопсии лёгких, которые показали активность механоусилителей, контролирующих гены, связанные с заболеваниями, при идиопатическом лёгочном фиброзе (ИПЛФ).

«Картирование этих механоусилителей может улучшить наше понимание механизмов заболеваний, связанных с изменениями механических свойств тканей, таких как фиброз и рак, и, возможно, привести к новым лекарственным мишеням или методам инженерии, позволяющим клеткам ощущать патологические механические среды», — сказал Косгроув.

Текущая и будущая работа команды Дьюка включает изучение того, как механоусилители различаются в зависимости от типов клеток, заболеваний и возраста, включая то, как генетические вариации в этих последовательностях ДНК обеспечивают устойчивость к различным стрессам окружающей среды. Они также заинтересованы в изучении этих регионов «тёмного» генома в качестве прямых мишеней генетических лекарств для лечения трудноизлечимых состояний.

«Проект является отличным примером высокоэффективного и уникального сотрудничества в области инженерии, науки и медицины в Дьюке с многочисленными участниками в Duke CAGT», — сказал Герсбах. «Это подчёркивает тип продуктов, которые наш центр предназначен для производства, сочетая технологии с биомедицинской наукой, а также инженерные подходы с образцами, полученными от пациентов».

Предоставлено Университетом Дьюка.

Источник