Человек и комар разделились в ходе эволюции примерно 600 миллионов лет назад, что делает возможным изучение взаимодействия белков человеческих клеток с генетическим материалом далёкого вида. Исследователи ИЦиГ СО РАН создали человеческие клетки, в которые были встроены протяженные вставки ДНК комара, иногда сопоставимые по длине с целой хромосомой, и продемонстрировали, что изначально неактивные участки можно включить при целенаправленном воздействии белков-активаторов.
Екатерина Глумова, студентка магистратуры факультета естественных наук Новосибирского государственного университета и сотрудница лаборатории геномных технологий для медицинской генетики Института цитологии и генетики СО РАН, представила на 15‑й Международной мультиконференции «Биоинформатика регуляции и структуры геномов / системная биология» BGRS/SB‑2026 доклад про исследования клеток, в которых объединен генетический материал человека и комара.
Исследование сосредоточено на одном из ключевых вопросов генетики: каким образом клетка определяет, какие участки ДНК активировать, а какие – подавлять.
Гибридные клетки были созданы посредством метода соматической гибридизации: клетки человека и комара объединили с помощью полиэтиленгликоля. В результате этого слияния в человеческих клетках образуются вставки ДНК от комара.
Анализы показали, что эти вставки характеризуются наличием неактивных хроматиновых меток и не транскрибируются, то есть не используются клеткой для синтеза РНК.
Тогда учёные выделили несколько зон вставок, к которым можно было направлять белки-активаторы. Хотя одиночные белки не справлялась с преодолением неактивного состояния ДНК, при одновременном воздействии нескольких копий мощного активатора участки ДНК комара начали проявлять активность: в определённой области появились транскрипты, а структура ДНК стала менее компактной. При этом жизнеспособность гибридных клеток осталась без изменений.
«Мы показали, что, если направить активаторы в одно место сразу в большом количестве, ДНК комара активируется», – говорит Екатерина Глумова.
Затем исследователи начали изучать, какие изменения происходят в ДНК после её активации и какие белки способны преодолевать её «выключенное» состояние.
В будущем планируется протестировать другие активирующие белки и создать гибриды человеческих клеток, содержащие генетический материал представителей других видов.
Это даст возможность сравнить, в какой степени человеческая клетка подавляет активность различных чужеродных последовательностей и какие факторы влияют на этот механизм.
Доктор биологических наук Вениамин Фишман, научный руководитель проекта, ведущий научный сотрудник сектора геномных механизмов онтогенеза, поясняет: подобные эксперименты позволяют расширить горизонты традиционных геномных исследований. Обычно большинство геномных данных собирается при изучении человека, мышей и других модельных организмов. Однако объем последовательностей в геноме конкретного вида является ограниченным, что в свою очередь сужает возможности для получения более глубоких выводов о механизмах функционирования ДНК.
«Если посмотреть на разнообразие последовательностей, которые есть у мыши или человека, это как одна звёздочка на бескрайнем небе», – подчеркнул он.
По его словам, прогресс в области секвенирования сделал возможным быстрое и относительно недорогие чтение геномных последовательностей, однако ученые по-прежнему сосредоточены только на тех участках, которые уже зафиксированы в геноме человека или другого исследуемого организма.
Использование гибридных клеток дает возможность внедрять в человеческую клеточную среду генетический материал, который обычно недоступен в подобных экспериментах, и наблюдать, как он проявит себя в новой обстановке.
Работа способствует и в решении задач машинного обучения.
В процессе обучения геномных моделей особое значение имеет используемый набор данных, на основе которого они выявляют закономерности. Если модель обучается только на ограниченном наборе последовательностей, её способность эффективно работать с существенно отличающимися образцами может значительно снизиться - это схоже с проблемой out-of-distribution в области машинного обучения.
Вениамин Фишман отметил, что цель данной научной работы состояла в том, чтобы исследовать совершенно иной подход, предоставив моделям значительно расширенный и разнообразный набор данных для обучения.
На данный момент полученные результаты относятся к области фундаментальной науки и не предполагают немедленного применения в медицине. Тем не менее, они способствуют углублённому пониманию ключевых механизмов регуляции генетической информации: причины активности одних участков ДНК и подавления других, а также процессы распознавания клеткой инородных последовательностей.
Такое понимание играет важную роль в развитии геномных технологий, методов точечного редактирования генов и вычислительных моделей, которые анализируют работу ДНК.
Пресс-служба Института цитологии и генетики. Иллюстрация предоставлена Екатериной Глумовой.
Источник: ИЦиГ СО РАН.