Эпигенетика: биологи и инженеры штурмуют очередные рубежи

Группа биологов и инженеров из Принстонского университета значительно увеличила скорость и точность измерения загадочного набора белков, которые влияют почти на каждый аспект жизнедеятельности клеток и тканей. Новый метод предлагает долгожданный инструмент для изучения стволовых клеток, рака и других проблем, имеющих основополагающее значение для биологии и медицины.

Исследование дает ученым беспрецедентную возможность изучить специальный класс белков, называемых гистонами, входящих в состав каждой хромосомы и контролирующих выполнение инструкций, заложенных в ДНК. Несмотря на быстрый прогресс в понимании информации, закодированной в ДНК и генах, ученые пока значительно меньше разбираются в так называемом «гистоновом коде», который определяет, почему один и тот же ген по-разному проявляет себя в разных клетках.

«Мы применили принципиально новый подход к изучению области, где в течение последних 15 лет использовались одни и те же методы», - говорит Бенжамин Гарсия (Benjamin Garcia), доцент кафедры молекулярной биологии, ответственный за экспериментальную часть исследования.

Новая методика в 100 раз уменьшает время, необходимое для анализа гистонов. При этом требуется гораздо меньше образцов генетического материала, и достигаются гораздо более точные результаты, чем при использовании ранее существовавших методов.

Исследователи опубликовали свои результаты в октябрьском номере журнала Molecular & Cellular Proteomics. Вторая статья, детализирующая компьютерную часть исследования, появилась в ноябрьском номере того же журнала.

Несмотря на то, что ДНК всех клеток идентична, клетки нашего тела отличаются друг от друга – клетка почки выглядит и функционирует совсем не так, как нейрон. Такая специализация становится возможной благодаря набору инструкций, хранящихся вне генов и ДНК, а именно благодаря эпигенетической информации, которая позволяет каждой клетке выполнять свои функции. Ключевыми игроками в этом процессе выступают гистоны, очень маленькие белковые веретена, на которые накручиваются молекулы ДНК, в результате чего формируются хромосомы.

Ученые давно знают, что гистоны имеют разнообразные химические «украшения» - небольшие молекулы в разных местах по всей длине гистона. Тип и локализация таких «добавок» регулируют близлежащие гены. Известно, что одиночные модификации «включают» или «выключают» гены, но что происходит, когда возникают комбинации множественных модификаций – «гистоновый код» - остается тайной.

«Понимание этого феномена и возможность контролировать его с большой точностью будут иметь революционное значение для медицины», - говорит доктор Янг (Young).

Отличить одну форму модификации гистона от другой сложно, так как несколько комбинаций различных модификаций могут иметь почти одинаковую массу. Действительно, при проведении обычных экспериментов два гистона с совершенно различными функциями могут казаться одинаковыми, если у них одинаковый набор модификаций, но с разной их локализацией в молекуле. До сих пор попытки выявить такие небольшие отличия были чрезвычайно сложны и требовали большого количества времени. «Теперь мы разработали первые практические методы для решения этой задачи», - говорит Янг.

Для разделения таких вариантов гистонов команда из Принстона использовала физические, химические и математические методы. Сначала они пропускали смесь различных гистонов через очень тонкую длинную трубку, содержащую специально разработанный материал, который заставляет различные формы гистонов выходить из трубки через разные промежутки времени, в общей сложности за 2-3 часа. Затем исследователи бомбардировали отдельные молекулы ионами, чтобы разорвать их на части, и для повышения скорости анализа отправляли поток данных в компьютер.

«Мы можем получить несколько тысяч наборов таких измерений в течение одного эксперимента», - говорит Питер ДиМаджио (Peter DiMaggio).

Когда кажущиеся одинаковыми гистоны разбиты на маленькие фрагменты, различия в локализации модификаций становятся более очевидными. Компьютерный алгоритм, основанный на интегральной линейной оптимизации, постоянно сравнивает все фрагменты до тех пор, пока не выдаст высокоточный список модификаций и их локализаций.

«Видеть разделение почти одинаковых гистонов и идентифицировать их качественно и количественно с высокой степенью достоверности – это очень интересно», - говорит Янг. Он также добавляет, что из многих миллионов комбинаций модификаций только несколько сотен, возможно, действительно присутствуют в реальных человеческих клетках. Из этого наблюдения следует, что комбинации этих относительно немногих модификаций формируют код, который теперь может быть расшифрован.

Следующим шагом в исследованиях будет соотнесение определенных стандартных наборов модификаций с наблюдаемыми изменениями в клетках. Например, если нормальные клетки трансформируются в раковые, ученые смогут отследить соответствующие изменения в гистонах. Таким же образом они смогут идентифицировать конкретные гистоновые коды, необходимые стволовым клеткам для того, чтобы превратиться в специфические клетки определенных тканей, такие как нервные или инсулин-продуцирующие. Понимание и потенциальная возможность перепрограммирования этих процессов могут иметь большое значение для регенеративной медицины, лечения рака и других болезней.

В качестве первого шага ученые из Принстона сотрудничают с биологами из университета Калифорнии – Лос-Анджелес (University of California- Los Angeles). Они определяют гистоновые коды, относящиеся к поведению стволовых клеток. «Мы показали, что можем определять модифицированные формы гистонов, но впереди еще очень много работы», - говорит Гарсия.

Источник: www.lana.alpe.ru