ДНК содержит полный набор инструкций, необходимых организму для развития и выживания, но лишь около 1,5% ее состоит из кодирующих белок генов, которые определяют такие черты, как цвет глаз, рост и тип волос. Остальные 98,5% до недавнего времени называли «мусорной», ошибочно полагая бесполезной.
Между тем, определенные последовательности именно в этой некодирующей части генома помогают формировать развивающийся человеческий мозг, выяснили исследователи из Лундского университета.
«Ключевой вопрос в моей лаборатории: как человеческий мозг стал человеческим? Мы хотим знать, какие части генома вносят вклад в уникальные человеческие функции и как это связано с нарушениями работы мозга», — объясняет профессор кафедры экспериментальной медицинской науки Йохан Якобссон, руководитель Лаборатории молекулярной нейрогенетики.
Повторяющаяся ДНК и ее роль в человеческом мозге
Вместе с коллегами из Копенгагенского, Кембриджского и Нью-Йоркского университетов Якобссон и его команда изучили сегменты повторяющихся последовательностей ДНК, называемых мобильными генетическими элементами — транспозонами. Иногда их описывают как «прыгающие гены», поскольку они могут перемещаться внутри генома, что затрудняет их изучение.
Предметом исследования в Cell Genomics стало одно конкретное семейство мобильных элементов — LINE-1 (L1) транспозоны. Комбинируя технологию генного редактирования CRISPR с передовыми методами секвенирования, генетики пробовали отключать эти последовательности в стволовых клетках и органоидах мозга и наблюдали последствия.
«Ранее мы предполагали, что эта часть генома отключена и просто тихо находится на заднем плане. Оказывается, это заблуждение. Эти элементы не молчат — они активны в человеческих стволовых клетках и, по-видимому, играют важную роль в раннем развитии мозга. И мы обнаружили, что если их заблокировать, возникают реальные последствия», — говорит профессор.
«Прыгающие гены» и развитие мозга
Когда L1 транспозоны были «заглушены», наблюдались нарушения в активности генов и аномальный рост органоидов мозга.
«С эволюционной точки зрения это может объяснить, почему человеческий мозг развивался иначе, чем мозг других приматов, — полагает Якобссон. — А с точки зрения болезней это говорит о том, что "прыгающие гены" могут быть частью клеточного механизма и, вероятно, связаны с нарушениями. Если мы хотим лучше понять нарушения нейроразвития или нейропсихиатрические состояния, мы должны изучать эту часть генома».
Поскольку многие из генов, на которые влияют L1 транспозоны, связаны с заболеваниями мозга, работа команды открывает новые пути для будущих исследований.
Некодирующий геном и заболевания мозга
И они будут продолжены в сотрудничестве с международными партнерами для изучения вклада мобильных элементов в заболевания мозга с использованием как клеток, полученных от пациентов, так и образцов тканей мозга доноров.
«Наше исследование указывает на то, что эти элементы — не просто эволюционные остатки, они важны для регуляции генов, активных в мозге. Наш следующий шаг — изучить образцы пациентов: детей с нарушениями нейроразвития и взрослых с возрастными заболеваниями, такими как болезнь Паркинсона. Цель — понять, как скрытые части нашего генома способствуют развитию болезней и, в конечном итоге, разработать их лечение, основываясь на этих открытиях», — заключил Йохан Якобссон.
«Мусорная» ДНК на самом деле не мусорная. Как микроРНК помогут науке уже в ближайшее время
ДНК-эволюция: почему наш мозг обогнал обезьян, но стал уязвимым
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram