Спектр действия каждого гена шире, чем предполагалось ранее

К открытию универсального механизма регуляции работы генов в клетках организма привел ученых поиск причин, по которым содержание гемоглобина в эритроцитах оказывается существенно ниже нормы. В перспективе подобное открытие может помочь в лечении целого ряда заболеваний.

Группа исследователей из Пенсильванского университета и детского госпиталя Филадельфии изучала клетки эритроидного ряда, из которых впоследствии образуются переносящие кислород эритроциты. Нарушения в их формировании потом приводят к тяжелым последствиям типа анемии: ткани перестают получать достаточно кислорода.

Изучение гена GATA-1, активность которого необходима для превращения «предка» эритроцита в зрелую клетку, позволило продвинуться вперед в понимании причин анемии. Кроме того, ученые выяснили, что этот ген играет роль универсального регулятора работы многих других генов. Молекулярные биологи отыскали 2616 генов, которые дают отклик на добавление кодируемого GATA-1 белка - они начинают работать или минимум вдвое активнее, или, наоборот, снижают активность.

Работа генов

Отдельное пояснение требуется для словосочетания «работа генов». Сама ДНК, как правило, неизменна, и гены на ней в течение всей жизни клетки также не меняются. Но каждый ген кодирует молекулу РНК, и когда ученые говорят о том, что «ген работает», подразумевается то, что в этот момент происходит синтез РНК, закодированной этим геном.

Затем молекулы РНК либо сами выполняют определенные функции внутри клетки, либо направляются в рибосомы, являющиеся по сути клеточными «фабриками» по производству белков. До недавнего времени считалось, что каждый ген кодирует в итоге какой-то конкретный белок, и вследствие этого ситуация с биологической терминологией стала несколько запутанной: ген и белок стали обозначать одинаковыми буквами.

Ген под названием GATA-1 выключает 1568 генов. Это значит, что сначала на матрице гена GATA-1 синтезируется соответствующая молекула РНК, потом рибосомы на ее основе собирают белок с таким же названием GATA-1, а далее уже молекулы белка различными путями блокируют синтез других белков. Вся эта система из генов, молекул РНК, белков и необозримого множества возможных вариантов их взаимодействия весьма запутанна, но процесс ее изучения уже приносит некоторые практические результаты.

К примеру, именно благодаря возможности в некоторой степени ориентироваться в работе генов, ученые могут проследить за возникновением раковых опухолей. Зная, какой ген активизируется в опухоли, можно создать надежную систему выявления рака на ранней стадии: простое обнаружение в крови пациента белка, который кодирует ген рака – так называемого онкомаркера, будет для врача тревожным сигналом.

Аутизм, болезнь Альцгеймера, диабет, врожденная слепота, нарушения развития яичников, артрит, сердечно-сосудистые заболевания, рак – практически в каждой из болезней ученым требуется понимание, какие конкретно гены ответственны за тот или иной процесс и как именно гены взаимодействуют друг с другом. Травматологам-ортопедам такие знания могут помочь в восстановлении костной ткани, стоматологам понадобится возможность перепрограммирования стволовых клеток для выращивания нового зуба, а психиатрам необходимо знание генетических причин шизофрении или депрессии, которое позволит найти более эффективные лекарства.

Их - тысячи!

Ученые проводили свои исследования на культуре мышиных клеток, лишенных гена GATA-1. Эритроциты из этих клеток созревали только тогда, когда исследователи добавляли в культуру кодируемый этим геном белок – таким образом, у биологов была возможность сравнить состояние клеток до и после воздействия интересующего их белка или, в конечном итоге, гена.

В живом организме мыши и, тем более, человека подобный эксперимент невозможен: мышь без гена GATA-1 просто погибла бы, а если этот ген не удалить, то его изначальная активность помешает делать какие-либо выводы. Колония клеток была идеальным объектом для изучения, и ученые воспользовались ею, чтобы получить информацию об активности сразу 19 тысяч генов.

Выделенную из клеток смесь РНК (чем больше РНК, тем активнее соответствующий ген) после особой подготовки наносили на так называемые генные чипы – пластинки, покрытые ровными рядами лунок с образцами ДНК. Там, где происходило совпадение, появлялась флуоресцентная метка, затем специальный лазерный сканер определял, какой конкретно ген проявил активность: на одной пластине располагались десятки тысяч микроскопических лунок.

Результаты

Результаты сканирования генных чипов до и после добавления GATA-1 оказались несколько неожиданными: исследователи пришли к выводу, что этот ген обладает на редкость широким спектром действия. Но тем выводом, что ген влияет на работу 2616 других генов, исследование не закончилось.

С помощью ряда дополнительных методов ученые обнаружили, что подверженные действию GATA-1 гены распределены по всей длине молекулы ДНК отнюдь не равномерно. Они, как выяснилось, объединены в группы, разделенные между собой на физическом уровне. Исследователи считают, что речь идет о новом универсальном механизме.

В интервью, данном научному изданию Science Daily, авторы исследования пока говорят о лечении серповидноклеточной анемии. Только в США насчитывается свыше 70 тысяч больных, эритроциты которых имеют неправильную, серповидную, форму и хуже переносят кислород. «Если бы мы смогли выключить гены, которые приводят к появлению этого дефекта, и увеличить активность тех, которые способствуют появлению здоровых клеток, то смогли бы серьезно продвинуться в лечении болезней», – говорит Росс Гаррисон, один из руководителей исследования.

Источник: Gzt.ru