Виртуальные мыши
Группа ученых из Института Фрэнсиса Крика в Лондоне разработали масштабную базу данных активности мышиных генов по десяти моделям заболеваний. Она поможет значительно уменьшить использование лабораторных животных во всем мире. Новая база данных дает полную картину иммунного ответа на различные патогены.
График экспрессии генов на шести моделях заболеваний для двух генов: Ifng (связан с передачей сигналов интерферона типа II) и Mx1 (связан с сигналом интерферона типа I).
База данных содержит информацию об активности каждого из более 45000 генов в крови мышей с десятью различными заболеваниями. Кроме того, для шести заболеваний дыхательной системы были исследованы образцы из легких.
Ранее ученым приходилось создавать модели, подсаживать, выбраковывать, брать образцы у мышей, а также извлекать и секвенировать РНК для изучения интересующих генов. Используя новое приложение, которое описано в данном исследовании, ученые смогут оценить активность любого гена по целому ряду заболеваний, не нуждаясь в мышах. Это предотвратит использование тысяч мышей в отдельных экспериментах.
Исследовательская группа, возглавляемая Энн О'Гарра и координируемая Кристин Грэм, работала с сотрудниками из Великобритании и США. Они использовали технологию секвенирования нового поколения (RNA-seq) для измерения активности генов при различных заболеваниях. Гены должны транскрибировать свою ДНК в РНК, чтобы функционировать, а анализ РНК показывает, насколько активен каждый ген – в данном случае после заражения или попадания аллергена.
Активность генов демонстрирует, как организм реагирует на инфекцию и аллергены. В иммунном ответе участвуют тысячи генов, и возникла необходимость в использовании передовых биоинформационных подходов для кластеризации генов на модули. Эти модули представляют собой совокупность генов, которые совместно регулируются и могут быть характеризованы выполнением единой функции. Например, из 38 модулей генов, активных в легких, существует модуль, содержащий более 100 генов и связанный с аллергией, его можно увидеть только в модели аллергии. Другой модуль, связанный с Т-клетками, содержит более 200 генов.
Секвенируя легочную ткань и кровь, исследователи заметили, что иммунный ответ в крови часто отражает местный ответ в легких, и наоборот. Нужно использовать эту корреляцию, так как при большинстве заболеваний врачи не имеют возможности получить образцы легких.
Множество патогенов
График экспрессии двух генов для шести моделей заболеваний: ген Il17c связан с T-хелперами, ген IL4 связан с аллергическими реакциями.
Используя новое приложение, исследователи в любой точке мира могут использовать информацию об активности генов в крови и легких мышей, зараженных целым рядом патогенов: паразитом Toxoplasma gondii, вирусом гриппа и респираторно-синцитиальным вирусом (RSV), бактерией Burkholderia pseudomallei, грибком Candida albicans или аллергеном (клещи в домашней пыли). Они также смогут оценить активность генов в крови мышей с листериями, мышиным цитомегаловирусом, малярийным плазмодием или хронической инфекцией Burkholderia pseudomallei.
В ходе исследования группа проанализировала генетические признаки, связанные с перечисленными заболеваниями и изучила особенности иммунного ответа. В легких преобладали гены, связанные с интерферонами I или II типа, интерлейкином (IL-17) или реакциями аллергического типа. Известно, что интерферон I типа высвобождаются в ответ на вирусы, тогда как интерферон II типа (IFN-g) активирует фагоциты для уничтожения внутриклеточных патогенов, а IL-17 привлекает нейтрофилы, вызывая раннюю воспалительную иммунную реакцию. Интересно, что признаки гена интерферона присутствовали в крови, как и в легких.
Гены, связанные с интерфероном I типа, были очень активными как в легких, так и в крови мышей, инфицированных паразитом Toxoplasma gondii, а также наблюдались в ответ на бактерию Burkholderia pseudomallei, хотя и в меньшей степени. Это ставит под сомнение ранние заявления о том, что гены, ассоциированные с интерфероном I типа, обязательно указывают на вирусные инфекции.
От проблем к новым возможностям
Исследовательский проект имеет интересную историю. Он начался в 2009 году, и для определения активности генов в крови и легких планировалось использовать микрочипы. В 2015 году, когда данные были собраны и подготовлены для анализа, производитель остановил выпуск необходимых реагентов для микрочипа. Проект оказался под угрозой.
Поскольку технология микрочипов без необходимых реагентов не могла быть использована, группа начала искать выход. В это время на рынке появилась методика RNA-Seq, предлагающая способ количественной оценки активности генов. После переговоров ученым бесплатно предоставили новейшие реагенты для RNA-Seq, а также предоставлено место для хранения огромных объемов данных.
Поскольку образцы тканей и крови из экспериментов с микрочипами были заморожены, повторно работать с мышами не пришлось. Кропотливый труд был завершен в 2018 году. Чтобы систематизировать результаты секвенирования и сгруппировать тысячи генов, ученые использовали передовые методы биоинформатики, чтобы получить понятную и наглядную форму (модуль). Они также создали приложение, чтобы сделать данные доступными для всех.
Целых десять лет ушло на создание ресурса с открытым доступом к информации об экспрессии генов для каждого желающего.
Статья A. Singhania et al. Transcriptional profiling unveils type I and II interferon networks in blood and tissues across diseases опубликована в журнале Nature Communications.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам The Francis Crick Institute: Gene activity database could spare thousands of mice.