Генетики "разоблачили" букву в геноме, замена которой снижает риск аутоиммунных заболеваний

Когда две последовательности ДНК отличаются на одну букву, то есть на один нуклеотид (A, T, G или С), это называется однонуклеотидным полиморфизмом. Конкретный вариант, имеющийся у конкретного человека, называется "аллель"

Иллюстрация предоставлена пресс-службой МФТИ.

РНК-полимераза синтезирует РНК на основе последовательности ДНК. Промотор ≈ это участок ДНК, который служит для РНК-полимеразы стартовой площадкой для начала транскрипции. Для правильной инициации транскрипции должен собраться белковый комплекс.

Иллюстрация предоставлена пресс-службой МФТИ.

Кольцевая ДНК. Промотор ≈ это участок, на котором происходит запуск транскрипции (показан светло-зелёным). Далее идёт ген люциферазы, и красным обозначена область, содержащая замену.

Иллюстрация предоставлена пресс-службой МФТИ.

Исследовательская группа из Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта, Института общей генетики им. Н. И. Вавилова и МФТИ определила в геноме букву, которая может участвовать в механизмах развития аутоиммунных заболеваний, в частности рассеянного склероза. В ходе работы, статья о которой вышла в журнале PLOS ONE, учёные рассмотрели, как замена этой буквы может влиять на работу гена IL2RA. Последний производит важный для иммунной системы белок, уточняется в пресс-релизе МФТИ.

Список SNP (Single nucleotide polymorphism; однонуклеотидный полиморфизм), которые с разной частотой встречаются у здоровых людей и у людей с аутоиммунными заболеваниями, можно получить из данных GWAS — полногеномного поиска ассоциаций. Поясним, что речь идёт о поиске связей между разными вариантами генома и болезнями. Лаборатории по всему миру определяют геномы огромного числа людей, сравнивают больных и здоровых и ищут характерные мутации. Благодаря таким исследованиям, для некоторых болезней уже можно оценить риск того, что человек заболеет, просто прочитав его последовательность ДНК. Как правило, с одним признаком ассоциировано несколько SNP, то есть однобуквенных замен на разных участках генома. Однако список подозрительных аллелей ничего не говорит о механизмах заболевания. Чтобы открыть возможности точной диагностики и персонализированной медицины, требуется проводить детальное исследование каждого случая.

Замена не приходит одна: вместе с одной буквой наследуется другая. Например, в одном месте стоит буква А, а в другом — сцепленная с ней буква Т. Тогда, если вместо А стоит заменённая G, то вместо T тоже будет стоять другая буква. Однобуквенные замены наследуются группой, и у одного человека наблюдается сразу несколько характерных аллелей. Однако чтобы докопаться до причин болезни, необходимо понять, кто из этой преступной группы является "зачинщиком" болезни, а кто — скорее "свидетелем".

И чтобы иммунная система верно стояла на страже организма, её клетки должны передавать друг другу сигналы. Одна клетка выпускает сигнальную молекулу, а другая — принимает её с помощью особого рецептора. Например, рецептор интерлейкина-2 (IL2R) активируется, когда к нему приходит молекула интерлейкина-2. Активация этого рецептора даёт клеткам команду: атаковать или, наоборот, притормозить. Реакция на этот сигнал у разных типов клеток разная, поэтому здесь важен тонкий баланс: если рецепторов будет слишком много или слишком мало, это приведёт к болезни.

"Было показано, что когда сигнал, передающийся интерлейкином-2, усиливается или прерывается, у мышей возникает аутоиммунная реакция. У людей с рядом аутоиммунных заболеваний тоже были обнаружены изменения в работе соответствующих рецепторов. Поэтому мы сосредоточились на гене IL2RA и на соседних SNP, ассоциированных с аутоиммунными болезнями", — рассказывает Марина Афанасьева, первый автор исследования, сотрудник Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта.

В некодирующей части гена учёные отобрали шесть замен в геноме, связанных с такими аутоиммунными заболеваниями, как рассеянный склероз, ревматоидный артрит, болезнь Крона, язвенный колит и так далее. Поясним, что белок производится по "рецепту", записанному в РНК. В свою очередь, РНК "переписывается" с ДНК — это называется транскрипцией. Некоторые участки ДНК не входят в итоговый "рецепт", то есть белок они не кодируют. Однако эти участки могут усиливать или подавлять транскрипцию, так что замена одной буквы в них может повлиять на количество белка.

РНК-полимераза синтезирует РНК на основе последовательности ДНК. Промотор ≈ это участок ДНК, который служит для РНК-полимеразы стартовой площадкой для начала транскрипции. Для правильной инициации транскрипции должен собраться белковый комплекс.
РНК-полимераза синтезирует РНК на основе последовательности ДНК. Промотор ≈ это участок ДНК, который служит для РНК-полимеразы стартовой площадкой для начала транскрипции. Для правильной инициации транскрипции должен собраться белковый комплекс.
Иллюстрация предоставлена пресс-службой МФТИ.

Есть разные варианты того, каким образом одна буква может повлиять на судьбу гена. На некодирующем участке влияние может оказываться через белки, которые называются транскрипционными факторами. Такие белки связываются с определёнными участками ДНК и с другими белками. В результате собирается большой белковый комплекс, который запускает транскрипцию. Некоторые факторы стимулируют транскрипцию, а некоторые — тормозят её. Получается, что для правильной работы гена важны не только те его участки, на которых закодирован белок, но и области, на которые садятся транскрипционные факторы. Если фактор транскрипции "не узнает" свою последовательность, он не свяжется с ней и в итоге получится не то количество белка, которое нужно. Однако не все замены одинаково сильно влияют на совместимость с транскрипционными факторами. Следовательно, круг подозреваемых сужается.

С помощью биоинформатического анализа исследователи предсказали, какие SNP находятся в местах связывания с транскрипционными факторами. Применив ещё несколько критериев, они отобрали замену, обозначаемую как rs12722489. У большинства людей на определённом участке встречается буква G, но у некоторых эта буква заменена на A, и статистически замена реже встречается у людей с аутоиммунными заболеваниями. Анализ этого участка ДНК показал, что если замены нет, то последовательность обладает сродством к транскрипционным факторам ERα и ERβ (эстрогеновые альфа- и бета-рецепторы). Изменение количества белка под влиянием транскрипционных факторов и может быть причиной нарушений в иммунной системе.

Учёные проверили, как замена буквы может влиять на транскрипцию, с помощью тестовой конструкции. В ней закодировали белок люциферазу, который в присутствии люциферина светлячка вызывает биолюминесценцию — химическую реакцию, сопровождающуюся испусканием света. Это стандартный генноинженерный приём, позволяющий по светимости определять активность транскрипции. В кольцевую ДНК вставили копию участка, с которого происходит запуск транскрипции IL2RA. Сразу за ней вставили ген люциферазы светлячка, а ещё дальше — копию участка с rs12722489. Эти кольца поместили внутрь живых клеток, чтобы запустить внутриклеточные реакции и по степени светимости определить активность гена, которая зависит от регуляции транскрипции. Одна часть конструкций содержала А-вариант, другая — G-вариант, последний продемонстрировал светимость в 1,5 раза больше. Это означает, что замена rs12722489 ослабляет транскрипцию IL2RA.

Кольцевая ДНК. Промотор ≈ это участок, на котором происходит запуск транскрипции (показан светло-зелёным). Далее идёт ген люциферазы, и красным обозначена область, содержащая замену.
Кольцевая ДНК. Промотор ≈ это участок, на котором происходит запуск транскрипции (показан светло-зелёным). Далее идёт ген люциферазы, и красным обозначена область, содержащая замену.
Иллюстрация предоставлена пресс-службой МФТИ.

В этом же эксперименте авторы показали, что в отсутствие эстрогена светимость у A- и G-аллелей одинаковая. Для доказательства того, что ERα действительно связывается с G-вариантом и не связывается с А-вариантом, использовалось ещё три экспериментальных метода. Таким образом авторы исследования показали, что, по крайней мере, в клеточных культурах замена rs12722489 влияет на производство белка IL2RA. Если в найденной позиции стоит буква G, участок ДНК связывается с транскрипционным фактором ERα, который усиливает транскрипцию гена IL2RA. А в результате замены на букву A может получаться меньше белка, что, возможно, уменьшает склонность к аутоиммунным заболеваниям.

Конечно, по одной букве полный диагноз не поставить, но чем больше мы узнаём о генетике болезней, тем точнее становятся прогнозы, а лечение и профилактика — своевременнее.