Когда геном человека был секвестрован почти 20 лет назад, многие исследователи были уверены, что они смогут быстро обнаружить гены, ответственные за сложные заболевания, такие как диабет или шизофрения. Но они быстро зашли в тупик, отчасти из-за своего незнания системы переключателей, управляющих тем, где и как гены компрессируются в организме.
Такая генная регуляция-это то, что отличает сердечную клетку от клетки мозга, например, и отличает опухоли от здоровой ткани. В настоящее время масштабные десятилетние усилия начали заполнять картину, связывая уровни активности 20 000 кодирующих белок человеческих генов, как показывают уровни их РНК, с вариациями в миллионах участков регуляторной ДНК. Изучая до 54 видов тканей у сотен недавно умерших людей, проект генотип-экспрессия тканей” (GTEx) стоимостью 150 миллионов долларов был направлен на создание "универсального магазина для генетики регуляции генов", говорит член команды GTEx Эммануил генетик из Женевского университета.
В связке статей в Science, Science Advances, других журналах на этой неделе исследователи GTEx выпускают окончательный большой анализ этих бесплатных загружаемых данных, а также инструменты для дальнейшего использования этих данных."Этот ресурс бесценен" для всех, кто интересуется конкретными заболеваниями или изучает ткани, или типы клеток, - говорит Ян Корнель, генетик человека из Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) в Гейдельберге. ” Это общественная сокровищница, - говорит Сюнь ли, генетик из Мичиганского университета в Энн-Арборе.Но сложный основной анализ показывает, насколько запутанными могут быть взаимосвязи между генами и их регуляторной ДНК.
Статьи написаны на бюрократическом языке, и объявленные результаты трудно расшифровать, говорит Ден Траур, эволюционный биолог из Хьюстонского университета и известный критик большой науки.
И, как и другие критики, он отмечает, что проекту, в котором 85% белых доноров, катастрофически не хватает разнообразия, следовательно, сможет определить последовательности, ответственные за такие болезни, как болезни сердца и почечная недостаточность, или проследить, как слои регуляции генов работают вместе. Мы не должны собирать чемоданы и говорить, что экспрессия генов решена, - говорит геном ист Эван Барни, заместитель генерального директора EMBL, который возглавлял еще один большой геномный проект под названием ENCODE. После запуска GTEx в 2010 году семьи более чем 900 умерших пациентов, которые уже заложили свои органы или ткани для трансплантации, согласились, что исследователи также могут взять образцы здоровых тканей своих близких, например мозга, мышц, жира, поджелудочной железы и сердца.
Наличие нескольких тканей у одного и того же субъекта давало исследователям уверенность в том, что различия в экспрессии генов между, скажем, мышцами и поджелудочной железой были реальными и значимыми.
Впервые у нас есть этот однородный набор, чтобы мы могли получить биологические различия между тканями”, - говорит член GTEx Барбара Стренер, генетик из Северо-Западного университета. Исследователи описали каждый образец, затем сфотографировали и заморозили все ткани для дальнейшего анализа. Они расшифровали геномы и количественно определили РНК для измерения активности генов. В дополнение к сравнению тканей внутри одного человека, они также могут сравнивать одну и ту же ткань у разных людей. Они смогли связать изменения в ДНК с уровнями экспрессии генов, используя статистический анализ, чтобы найти коррелированные паттерны изменений. Основой базы данных GTEx является компиляция сложных взаимосвязей между участками регуляторной ДНК, называемыми локусами количественных признаков экспрессии, или eQTLs, и генами, которые они регулируют. Пилотный этап, завершенный в 2015 году, углубленно исследовал девять тканей и продемонстрировал, что образцы из трупов являются разумными заменителями живых тканей-говорит соруководитель GTEx Куули генетик человека из Нью-Йоркского Геномного центра. Теперь, проанализировав почти 20 000 образцов, GTEx достиг такого размера, что мы можем получить гораздо более ясные и четкие представления”, -говорит соруководитель Кристин Арли, генетик человека из Института брода. Она и ее коллеги обнаружили, что почти каждый человеческий ген регулируется по крайней мере одним eQTL, многие из которых нацелены на несколько генов и предположительно влияют на несколько признаков. Незнакомец обнаружил еще один ключевой результат: почти каждая ткань, включая, например, кожу и сердце, демонстрировала различия в экспрессии генов между мужчинами и женщинами.
Подавляющее большинство биологии разделяют мужчины и женщины, говорит незнакомец, но различия в выражении могут помочь объяснить, почему мужчины и женщины имеют разные паттерны заболеваний или реакции на наркотики.
Я считаю это важным открытием, - говорит Корнель. Аналогичным образом, широкий соруководитель Франсуа Аге и его коллеги подтвердили, что некоторые eQTL расширяют свой охват до отдаленных генов, даже тех, которые находятся на других хромосомах. GTEx задокументировал 143 таких "транс" элемента, некоторые из которых влияют на несколько генов по всему геному. Келли Фрейзер из Калифорнийского университета в Сан-Диего уже использует эти данные, чтобы помочь разобраться в так называемых обще геномных ассоциативных исследованиях (GWAS), которые представляют собой большие загадки. В GWAS массивные консорциумы смотрят на геномы тысяч пациентов с определенным заболеванием или признаком и отмечают сотни тонких генетических изменений, часто вне самих генов. Но исследователи часто не имеют ни малейшего понятия, кто из этих многочисленных подозреваемых запускает болезнь или формирует черту характера.
Например, исследования GWAS выявили более 500 генетических вариаций, которые, по-видимому, влияют на сердечный ритм и электрическую проводимость. Фрейзер хотел знать, как специфический для сердца транскрипционный фактор, называемый NKX2-5, влияет на эти черты. Ее команда выявила тысячи вариаций ДНК, которые могли повлиять на активность NKX2-5 и таким образом, возможно, изменить ритм сердца. Паола из лаборатории Фрейзера проанализировала и сравнила эти вариации ДНК, данные GWAS и данные GTEx, чтобы определить, какие вариации ДНК действительно регулируют активность NKX2-5. Она смогла сначала сузить число кандидатов eQTLs до 55, затем до девяти и, наконец, используя данные GWAS о сердечных ритмах и другие инструменты, она обнулила одну переменную на хромосоме 1. Затем она заблокировала эту ДНК-базу с помощью редактора генома CRISPR и подтвердила, что она изменяет связывание NKX2-5, О чем Паола, Фрейзер и их коллеги сообщили в прошлом году в Nature Genetics.
Я уверен, что есть сотни таких людей, как я, которые ценят базу данных, - говорит Фрейзер. Статистика подтверждает это. Ежемесячно 16 000 человек посещают портал GTEx, а другие изучают данные на других сайтах.
В 2018 году его цитировали 900 статей. Барни понимает этот энтузиазм, но предупреждает, что могут возникнуть ложные корреляции между e QLTs и генами. Наведение на вызывающий болезнь вариант через GTEx - это не слэм-данк. Траур, со своей стороны, по-прежнему скептически относится к тому, что активность генов в трупах адекватно отражает то, что происходит в живых, несмотря на данные команды о сохранении экспрессии генов. Это все равно что изучать брачное поведение бродяг, говорит он. По мере завершения проекта Национальный институт здравоохранения США планирует разработать программу GTEx, которая будет привлекать людей в возрасте до 20 лет для создания атласа экспрессии генов от рождения до зрелого возраста.
В таких последующих усилиях более разнообразный набор доноров тканей был бы очень ценен, говорит Корнель. GTEx изначально стрелял для этой цели, но запнулся, потому что доноры тканей и органов непропорционально белые. Исследователи должны "общаться более эффективно", говорит Лаура Симинов, социолог из Университета Темпл, которая была профинансирована на раннем этапе изучения этики GTEx. - Иначе мы будем заниматься этой наукой для белых людей. Результаты до сих пор не могут рассказать полную историю того, как геном порождает мириады тканей и болезней человека. Тем не менее, Барни предсказывает: GTEx будет использоваться и использоваться снова и снова, и будут некоторые виды использования, которые я не могу предсказать.
