Индивидуальность человека: не только гены

Ученые Стэнфордского университета (Калифорния) и Йельского университета (Коннектикут), работающие под руководством профессора Майкла Снайдера (Michael Snyder), установили, что индивидуальность человека определяется не только его генами, но и, в значительной степени, так называемыми «некодирующими» последовательностями ДНК, окружающими гены и управляющие их работой. Согласно полученным данным, характер взаимодействия этих последовательностей с белками, относящимися к классу факторов транскрипции, сильно варьирует от человека к человеку и оказывает выраженное влияние на внешний вид человека, его развитие и даже предрасположенность к определенным заболеваниям.

Результаты проделанной авторами работы опубликованы 18 марта в Science Express в статье «Variation in Transcription Factor Binding Among Humans» и 17 марта в предварительной on-line версии журнала Nature в статье «Genetic analysis of variation in transcription factor binding in yeast».

Вариабельность кодирующих генов (содержащих инструкции, необходимые для синтеза белков и РНК), для всей человеческой популяции составляет всего 0,025%. Специалисты потратили десятилетия на то, чтобы понять, каким образом такие незначительные отличия определяются бесконечное разнообразие человеческих индивидуальностей. В то же время, вариабельность последовательностей некодирующих регионов генома, составляющих примерно 98% всей ДНК человека, колеблется в пределах 1-4%. Однако до сих пор ученые не могли понять, каким образом эти регионы могут способствовать формированию тела и личности человека.

По словам профессора Снайдера, ученые проделали огромную работу по изучению различий экспрессии генов среди индивидуумов, однако до сих пор никто не уделял внимание различиям в характере связывания факторов транскрипции.

Авторы установили, что уникальные изменения последовательностей ДНК каждого человека влияют на способность факторов транскрипции связываться с регионами ДНК, управляющими экспрессией генов. Результатом этого является выраженная вариабельность экспрессии близлежащих генов.

В рамках своей работы исследователи сравнили модели связывания факторов транскрипции 10 человек и одного шимпанзе. В результате они идентифицировали десятки тысяч центров связывания, разбросанных по всему геному: более 15 000 для фактора транскрипции NF-kB и более 19 000 – для фактора RNA PolII. После этого они проанализировали прочность взаимодействия белков с различными центрами связывания у различных индивидуумов.

Оказалось, что примерно для 25% мест связывания фактора RNA PolII и для 7,5% у NF-kB сила взаимодействия с белками значительная варьирует – в некоторых случаях этот параметр у двух индивидуумов отличается более чем на два порядка. (Для сравнения, разница в силе взаимодействия факторов транскрипции и специфичных для них центров связывания между человеком и шимпанзе в среднем составила 32%.) Многие из идентифицированных различий в силе взаимодействия ассоциированы с отличиями в последовательности или структуре центров связывания, при этом часть из них демонстрировала выраженную корреляцию с уровнем экспрессии генов. Более того, оказалось, что некоторые из идентифицированных учеными вариабельных центров связывания расположены по соседству с генами, обеспечивающими предрасположенность человека к развитию таких заболеваний как диабет 1 типа, системная красная волчанка, лейкемия и шизофрения.

Параллельно проводимые исследователями эксперименты на дрожжах подтвердили и расширили результаты, полученные при изучении геномов человека и шимпанзе. В частности, авторы продемонстрировали, что многих из вариаций силы взаимодействия пары «фактор транскрипции – центр связывания» и уровней экспрессии генов передаются из поколения в поколение. Они отмечают, что использование человека или шимпанзе в качестве объекта исследования не позволило бы им получить подобных результатов.

Авторы другого исследования, результаты которого тоже опубликованы 18 марта в Science Express в статье «Heritable Individual-Specific and Allele-Specific Chromatin Signatures in Humans», также утверждают, что им удалось идентифицировать возможные механизмы, посредством которых некодирующие регионы ДНК определяют фенотипические признаки человека, такие как рост, цвет глаз или предрасположенность к заболеваниям.

Эта группа исследователей из университета штата Техас в Остине, работающая под руководством доктора Вишваната Айера (Vishwanath Iyer), установила, что определенные модификации хроматина (комплекса ДНК и белков гистонов, обеспечивающих плотную упаковку генетического материала хромосом), согласно традиционным представлениям, имеющие эпигенетическую – определяемую негенетическими факторами – природу, на самом деле полностью зависят от ДНК человека. Более того, они продемонстрировали, что эти вариации хроматина ассоциированы с определенными единичными нуклеотидными полиморфизмами, так называемыми «снипами» (от англ. single nucleotide polymorphism, SNP).

Ранее при проведении полногеномных ассоциативных исследований ученые выявили взаимосвязь между снипами и определенными признаками и заболеваниями, однако до сих пор было неясно, каким образом снипы, часто располагающиеся в некодирующих регионах генома, могут определять фенотипические особенности человека. Авторы считают, что выявленный ими факт указывает на то, что идентифицированные модификации хроматина каким-то образом обеспечивают способность снипов оказывать влияние на фенотип.

В рамках своей работы исследователи проанализировали два процесса, вовлеченных в управление работой генов: изменение структуры хроматина (распрямление участка цепочки ДНК необходимо для осуществления транскрипции) и взаимодействие ДНК и факторов транскрипции. Оба этих процесса могут регулироваться эпигенетически, то есть посредством таких факторов, как метилирование ДНК и модификации гистонов.

С помощью методов высокопроизводительного секвенирования они проанализировали ДНК шести индивидуумов, геномы которых были секвенированы в рамках Проекта тысячи геномов (1000 Genomes Project): проживающей в штате Юта семьи из двух родителей и дочери, предки которых эмигрировали в США с севера и запада Европы, и семьи такого же состава из Нигерии, принадлежащей к народу йоруба.

В результате исследователи установили, что структура хроматина значительно варьирует от индивидуума к индивидууму, и что эти вариации могут передаваться из поколения в поколение. Другими словами, человек наследует от своих родителей не только гены, но и механизмы управления их работой, что вносит свой вклад в фенотипическое разнообразие человеческой популяции.

Одна из основных трудностей, с которыми столкнулись специалисты, пытающиеся применить генетическую информацию к лечению заболеваний, заключается в сложности идентификации генов, мутации которых вызывают развитие той или иной болезни. В некоторых случаях в развитии заболевания участвуют целые комбинации генов. Исходя из последних данных, в формировании предрасположенности к заболеваниям определенную роль играют также обширные некодирующие регионы генома.

Авторы считают, что предлагаемый ими подход позволит специалистам выявить некодирующие регионы, ассоциированные с различными заболеваниями, что, возможно, ускорит наступление эры персонализированной медицины.

Евгения Рябцева
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам:
   Stanford University School of Medicine: What makes you unique? Not genes so much as surrounding sequences, says Stanford study;
   University of Texas at Austin: Scientists Find More Influences on Inherited Traits; 
   The Scientist: "Epigenetics" drives phenotype?

22.03.2010