Международная команда ученых при участии сотрудников факультета компьютерных наук НИУ ВШЭ обнаружила новый механизм регуляции генов, в котором ведущую роль играет микроРНК. Участки ДНК, на которые нацелены эти микроРНК, присутствуют в генах, определяющих эмбриональное развитие. Исследование позволяет лучше понять механизмы, ответственные за разнообразие генетических программ в сложных многоклеточных организмах.
Ученые предложили новый взгляд на развитие эмбрионов / ©Getty images
Статья с результатами опубликована в журнале IJMS. Живые организмы растут и развиваются на протяжении всей своей жизни. Важную роль в этом процессе играет регуляция генов. Она контролирует активацию (экспрессию) и деактивацию (репрессию) генов в клетке. Эти процессы позволяют клеткам адаптироваться к изменениям во внешней среде, а также контролировать свой рост, развитие и функционирование.
Традиционно ученые изучают регуляцию генов одноклеточных живых организмов (прокариот) во взаимосвязи с оперонами — группой генов, которая регулируется взаимодействиями белков с ДНК. У более сложных организмов, таких как животные и растения (эукариоты), регуляция генов сложнее и включает множество механизмов на разных уровнях — от взаимодействия транскрипционных факторов с ДНК до контроля синтеза и активности белков.
В регуляции генов эукариот также большую роль играют микроРНК. Ученые сконцентрировались на микроРНК, которые имеют высокую степень консервативности, то есть не изменили свою функцию и последовательность в течение длительного эволюционного периода и среди разных видов организмов. Наличие консервативных микроРНК у разных видов многоклеточных животных (Metazoa) указывает на их фундаментальную роль в процессах регуляции генов и развития организмов, поэтому для исследования выбрали именно их.
Исследователи проследили взаимодействие микроРНК с флипонами — участками ДНК, которые могут менять свою структуру, запускать или выключать работу генов. Такие флипоны присутствуют в промоторах генов — специальных участках ДНК, которые расположены перед началом гена и определяют, где и когда ген будет преобразовываться. Ученые сконцентрировались на промоторах именно тех генов, которые играют ключевую роль в эмбриональном развитии.
В ходе исследования обнаружилось, что микроРНК способны регулировать геном путем изменения структуры флипонов. До этого считалось, что два механизма — регуляция генов с помощью микроРНК и изменение структуры ДНК флипонами — изолированы друг от друга. Ученые показали, что они взаимосвязаны и могут работать вместе, влияя на процессы эмбрионального развития. Их взаимодействие позволяет быстрее и эффективнее адаптироваться к изменениям в окружающей среде, так как микроРНК могут эволюционировать быстрее, чем белки.
«Механизм действия микроРНК и флипонов на уровне эмбриона — своеобразный микрокод, который, подобно компьютерной загрузочной программе, устанавливается в первую очередь, чтобы потом загрузить и установить полную операционную систему», — объясняет один из авторов статьи, заведующая Международной лабораторией биоинформатики НИУ ВШЭ Мария Попцова.
Это открытие дает новое понимание того, как регуляция генов происходит в многоклеточных организмах и влияет на эмбриональное развитие. Полученные исследователями результаты имеют высокую статистическую значимость, превышающую порог в пять стандартных отклонений, установленный для открытий в физических науках, что необычно для биологических наук.
«Дополнительные исследования могут расширить наше понимание того, как совместное действие микроРНК и флипонов приводит к точной и динамической регуляции генов на разных этапах эмбрионального развития. Это может привести к открытию новых молекулярных механизмов, ответственных за разнообразие генетических программ и их координацию в сложных многоклеточных организмах», — резюмирует Мария Попцова.
Комментарии
Всего 20 лет назад обо всём этом знали гораздо меньше, включая вред от разных лекарств, инфекций и паразитов ("Мутанты" Арман Мари Леруа, 2003 перевод 2009).
Приличные книги по теме:
учебник – том 3 "Биология в 3-х томах" Грин, Стаут, Тейлор;
научпоп с уймой ссылок – "Онтогенез" Дейвис (2017);
проще – "Твоя жизнь до рождения" Сазонов (2020) и "280 дней до вашего рождения" Вестре (2018)