28.03.2019
ФизТех

Ученые узнали, о чем сигнализируют CpG-светофоры в ДНК

3.9

Группа исследователей, в которую входят биоинформатики из МФТИ, обнаружила надежные маркеры активности генов. Это открытие в будущем может найти применение в клинической практике.

Светофор для генов / ©@tsarcyanide / Пресс-служба МФТИ

Результаты опубликованы в журнале BMC Genomics.

В рамках химии макромолекула ДНК — полимер, иначе говоря, полинуклеотид, состоящий из повторяющихся блоков, называемых нуклеотидами. Их всего четыре, и они отличаются друг от друга азотистыми основаниями: аденин (A), тимин (T), гуанин (G) и цитозин (С).

Участок последовательности ДНК, где нуклеотиды C и G расположены последовательно один за другим с фосфатом (р) между ними, называется CpG-динуклеотидом.

Гены — это участки ДНК, которые несут в себе основную информацию об РНК и белках, производимых клеткой. В разных типах клеток одного организма последовательность ДНК обычно одинакова, но наборы «работающих» генов, с которых синтезируются РНК в данный момент, существенно отличаются.

Ученые узнали, о чем сигнализируют CpG-светофоры в ДНК
Выделенная часть — CpG-динуклеотид, справа — двойная цепь ДНК / ©@tsarcyanide / Пресс-служба МФТИ

Это происходит благодаря регуляторным механизмам, грубо говоря, включателям и выключателям того или иного гена, которые запускают или приостанавливают производство той или иной РНК. Начиная с некоторого уровня сложности организмов в ходе эволюции уже не происходит значительного увеличения числа или разнообразия генов, но становятся сложнее регуляторные программы, обеспечивающие активность нужных генов в нужный момент.

На данный момент хорошо изучено два больших класса механизмов, регулирующих транскрипцию генов (синтез РНК): регуляция с помощью факторов транскрипции и эпигенетическая регуляция. Факторы транскрипции — это регуляторные белки, которые могут связываться с ДНК, распознавая определенные последовательности нуклеотидов в регуляторных районах генов.

Связываясь с ДНК, факторы транскрипции привлекают специальную клеточную машинерию, которая начинает считывать РНК именно с этого гена. Их на данный момент известно множество (у человека — более полутора тысяч), а их комбинации регулируют не только «факт» начала транскрипции, но и ее активность.

Эпигенетическая регуляция — набор механизмов, приводящих к изменению активности гена без изменений в первичной структуре ДНК. Метилирование ДНК — один из этих механизмов. Чаще всего метильная группа (CH3) присоединяется к цитозину в составе CpG-динуклеотида, выступая в роли сигнальной метки, которая в итоге влияет на то, какие гены будут активны, определяя клеточный тип.

Неудивительно, что метилирование ДНК связано со множеством биологических процессов, нормальных и патологических. Аномальное метилирование ДНК можно встретить при раке, нарушении обмена веществ, сердечно-сосудистых, нейродегенеративных и других заболеваниях.

Ученые узнали, о чем сигнализируют CpG-светофоры в ДНК
Метилирование цитозина — присоединение метильной группы CH(слева), в цепи ДНК (справа), фиолетовый кружок — метильная метка / ©@tsarcyanide / Пресс-служба МФТИ

Метильная группа может присоединяться к цитозину в разных местах ДНК, и действовать она в них будет по-разному. Например, метилирование участков вокруг старта транскрипции чаще всего приводит к подавлению активности гена. Метилирование цитозинов внутри гена, вдали от старта, наоборот, обычно отражает его активацию.

Ученые узнали, о чем сигнализируют CpG-светофоры в ДНК
Красным выделены CpG-динуклеотиды — светофоры, метилирование которых сильно коррелирует с активностью гена. Показаны промоторная область гена, место начала транскрипции, тело гена (наверху) / ©@tsarcyanide / Пресс-служба МФТИ

«В своих предыдущих работах мы показали, что метилирование некоторых конкретных CpG-динуклеотидов тесно взаимосвязано с активностью генов. Позиции таких динуклеотидов мы назвали CpG-светофорами. На новом этапе мы выяснили, что метилирование CpG-светофоров более точно показывает активность генов, чем метилирование промотора или тела гена в целом.

А также продемонстрировали, что энхансеры — удаленные от генов участки, регулирующие их активность — обогащены CpG-светофорами», — пояснила Юлия Медведева, ведущий автор исследования, заведующий группой регуляторной транскриптомики и эпигеномики ФИЦ биотехнологии РАН, доцент кафедры биоинформатики и системной биологии МФТИ.

«Мы увидели, что CpG-светофоры сохраняются в процессе эволюции, то есть эти позиции реже мутируют, что свидетельствует об их функциональной значимости», — уточнила Анна Лиознова, аспирантка ФИЦ биотехнологии РАН.

«Ранее мы думали, что основное, что делают CpG-светофоры, — переключают участки связывания факторов транскрипции из активного в пассивное состояние. Удивительно, но оказалось, что этот объяснимый и ранее описанный в литературе механизм глобально встречается крайне редко и может объяснить работу только малой доли светофоров.

Мы предполагаем, что работа светофоров тесно связана с „картой“ активности районов ДНК (то есть „состоянием хроматина“), но конкретные механизмы только предстоит найти и изучить», — добавил Иван Кулаковский, один из авторов исследования, сотрудник ИМБ РАН и Института математических проблем биологии РАН.

CpG-светофоры — это CpG-динуклеотиды, метилирование которых отражает активность расположенного неподалеку гена. Иначе говоря, такие динуклеотиды могут сигнализировать, будет ли синтезироваться РНК с данного гена и впоследствии производиться белок. Изучая CpG-светофоры, ученые надеются понять механизмы генной регуляции.

В практической деятельности, например в клинике, определение статуса метилирования цитозинов надежнее, чем прямое измерение активности генов, поэтому есть надежда, что получится использовать CpG-светофоры в клинической практике в качестве хорошего индикатора генной активности.

Работа была проделана коллективом ученых из ФИЦ биотехнологий РАН, Института общей генетики (ИОГен) имени Вавилова РАН, МФТИ, Института математических проблем биологии РАН, Института молекулярной биологии (ИМБ) имени Энгельгардта РАН, Института проблем передачи информации РАН, МГУ и НИЦ вычислительной биологии Университета науки и техники имени короля Абдаллы (Саудовская Аравия).

Исследование было поддержано Российским фондом фундаментальных исследований и Российским научным фондом.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Вчера, 12:24
Ольга Иванова

Шведские психологи показали: те, кто доверяет астрологии, как правило, обладают более низким уровнем интеллекта и большей самовлюбленностью по сравнению с теми, кто в нее не верит.

12 часов назад
Александр Березин

В ноябре 1939 года СССР объявил, что финны обстреляли советские войска, убив четверых. Тридцатого числа Москва начала войну против Хельсинки. На деле «погибшие» были полным вымыслом советской стороны, предлогом для открытия боевых действий и последующего захвата всей Финляндии. Однако что-то пошло не так. Что именно и почему итоги Советско-финской войны подтолкнули Гитлера к нападению на Советский Союз в июне 1941 года?

Вчера, 15:56
Ольга Иванова

Исследователи из США объяснили, зачем нужна физическая активность в старости.

25 ноября
НИУ ВШЭ

Мобильные ученые публикуются в индексируемых журналах в два раза чаще. К такому выводу пришли исследователи из НИУ ВШЭ.

26 ноября
Анастасия Михалева

За всю историю исследования в космосе побывали более 500 человек. В океан на глубину более 10 километров спускались всего трое. Мы до сих пор знаем о Мировом океане и его обитателях недопустимо мало.

25 ноября
Илья Ведмеденко

Российские инженеры спроектировали самолет для межконтинентальных полетов в стратосфере. Его можно назвать условным аналогом британского Skylon.

3 ноября
Ольга Иванова

Исследований на эту тему, как ни странно, мало, хотя предположений — великое множество. По мнению ученых из Венгрии, одна из причин такого поведения — высокая концентрация внимания на речи хозяина, а еще это означает, что собака слышит знакомое слово.

12 ноября
Мария Азарова

Кошки оказывались сбиты с толку, когда их человек, как им казалось, «телепортировался» в новое, неожиданное место. Однако они не реагировали таким же образом на чужих людей или других животных.

2 ноября
Мария Азарова

Авторы новой работы на примере Шотландии определили характеристики людей, умерших от Covid-19, хотя они были привиты, а также выявили основные предикторы смертности.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: