ENCODE: žmogaus DNR elementų enciklopedija — funkcijos, atradimai ir reikšmė

ENCODE: išsamus žmogaus DNR elementų žemėlapis — atradimai, funkcijų išaiškinimas ir reikšmė evoliucijai bei medicinai.

ENCODE yra DNR elementų enciklopedija. ENCODE buvo pradėta kurti 2003 m., siekiant nustatyti visus funkcinius elementus (darbinius bitus) žmogaus genome. Darbą atliko daugiau kaip 400 mokslininkų 32 laboratorijose JAV, Jungtinėje Karalystėje, Ispanijoje, Ispanijoje, Singapūre ir Japonijoje. Jų išvados paskelbtos 30 atviros prieigos straipsnių trijuose žurnaluose: "Nature", "Genome Biology" ir "Genome Research". Tai išsamiausia iki šiol atlikta žmogaus genomo analizė.

Pagrindinės išvados supaprastintai pateikiamos taip:

1. Tik 1 % genomo sudaro baltymai. Tai yra apie 21 000 genų.
2. 70 000 sekų koduoja "promotorių" sritis. Jos yra prieš genus, kur baltymai jungiasi ir kontroliuoja genų raišką.
3. Egzistuoja apie 400 000 "stiprintojų" sričių, kurios reguliuoja tolimus genus.
4. Yra keturi milijonai genų "jungiklių". Tai DNR sekos, kurios kontroliuoja, kada genai įsijungia arba išsijungia. Jie dažnai yra toli genome nuo valdomo geno.
5. Maždaug 80 % genomo atlieka tam tikrą biocheminę funkciją. Mintis, kad didžioji DNR dalis yra "šiukšlinė DNR", tikrai klaidinga. "Didžioji dauguma žmogaus genomo nekoduoja baltymų ir iki šiol neatrodė, kad jame yra apibrėžtų genų reguliavimo elementų. Kodėl evoliucija išlaikė didelį kiekį "nenaudingos" DNR, taip ir liko paslaptis, ir atrodė, kad tai yra švaistymas. Tačiau paaiškėjo, kad yra rimtų priežasčių išsaugoti šią DNR. ENCODE projekto rezultatai rodo, kad daugumoje šių DNR atkarpų yra sritys, kurios jungia baltymus ir RNR molekules, taip jas perkeldamos į pozicijas, iš kurių jos bendradarbiauja tarpusavyje reguliuodamos baltymus koduojančių genų funkciją ir raiškos lygį".
6. Evoliuciją lemia genų, kurie koduoja baltymus, ir DNR, kuri koduoja reguliavimo kontrolę, pokyčiai.

"Vienas didžiausių evoliucinės biologijos iššūkių - suprasti, kaip DNR sekos skirtumai tarp rūšių lemia jų fenotipų skirtumus. Evoliuciniai pokyčiai gali vykti tiek dėl baltymų kodavimo sekų pokyčių, tiek dėl sekų pokyčių, keičiančių genų reguliavimą".

Darbe buvo naudojami šie metodai:

1. Jie išskyrė iš genomo transkribuotą RNR ir nustatė jos seką.
2. Jie nustatė apie 120 transkripcijos produktų prisijungimo vietas.
3. Jie ištyrė histonų cheminių modifikacijų modelius. Taip buvo ieškoma sričių, kuriose genų raiška padidėja arba sumažėja.
4. Jie atliko 1648 eksperimentus su 147 ląstelių tipais.

Su šiuo darbu susijusios naujienos:

Kas yra ENCODE ir kokie buvo projekto tikslai?

ENCODE (angl. Encyclopedia of DNA Elements) – tarptautinis mokslininkų konsorciumas, kuriuo siekta identifikuoti ir apibūdinti visus žmogaus genomo funkcinius elementus: kas transkribuojama, kur prisijungia transkripcijos faktoriai, kur chromatinė struktūra yra atvira ir kur yra epigenetinės modifikacijos. Projekto tikslas – sukurti išsamius genominius žemėlapius, kurie padėtų suprasti genų reguliavimą, ligų mechanizmus ir evoliucinius pokyčius.

Detalesnės pastabos apie naudojamus metodus

• RNA-seq ir transkriptomos analizė: nustatomos transkribuotos RNR sekos, tiek koduojančios, tiek nekoduojančios. Tai leidžia atpažinti naujas RNR formas ir ląstelėms būdingą raiškos profilį.
• ChIP-seq: naudojamas transkripcijos faktorių ir histonų modifikacijų prisijungimo vietoms žemėlapiuoti. Iš čia gaunami duomenys apie promotorius, stiprintojus ir kitus reguliavimo elementus.
• DNase-seq / ATAC-seq: nustato atviros chromatino sritis – potencialias reguliavimo vietas, kur DNR yra prieinama baltymams.
• CAGE / RAMPAGE ir kiti pradžios vietos (TSS) nustatymo metodai: padeda tiksliai mapuoti promotorių pradžias ir alternatyvaus pradžios naudojimą.
• Epigenetinės žymės: histonų modifikacijų profiliai (pvz., H3K4me3, H3K27ac) leidžia atskirti aktyvias sritis nuo slopinamų.

Pagrindinės išvados ir jų interpretacija

ENCODE identifikavo didelį kiekį kandidatinių reguliacinių elementų: promotorius, stiprintojus, insuliatorius ir kitokias DNR sritis, kurios rodo biocheminę aktyvumą. Svarbu pabrėžti, kad ENCODE funkciją apibrėžė plačiai – kaip bet kokią matomą biocheminę veiklą (pvz., transkripcija, baltymų prisijungimas ar chromatino atvirumas). Tai lėmė garsų teiginį, kad apie 80 % genomo turi tam tikrą biocheminę funkciją.

Todėl dažnai minimos konkrečios reikšmės (pvz., ~1 % baltymams koduojančios sekos, ~70 000 promotorių, ~400 000 stiprintojų, ~4 milijonai jungiklių) turėtų būti vertinamos kontekste: tai yra kandidatinių elementų skaičiai, gauti pagal konkrečius eksperimentinius kriterijus ir skirtingoms ląstelių rūšims. Dalis tų elementų gali būti ląstelių tipui specifiški arba parodyti tik silpną biocheminę veiklą.

Kontroversijos ir tolimesnės interpretacijos

Po ENCODE publikacijų kilo diskusijų dėl sąvokos „funkcija“. Kritikai pažymėjo, kad biocheminė veikla nebūtinai reiškia biologinę ar evoliucinę svarbą (t. y. ar mutacija toje vietoje turėtų fenotipinį poveikį ar būtų veikiama atrankos). Vėlesnės analizės, naudojančios evoliucinę konservaciją ir populacinius duomenis, nurodė, kad daug mažesnė genomo dalis yra griežtai veikiama purifikacinės atrankos. Tačiau netgi jei ne visi ENCODE identifikuoti regionai yra evoliuciškai konservuoti, jie dažnai sutampa su genominėmis sritimis, kuriose randami ligų susiję variantai (GWAS signalai), tad turi praktinę reikšmę genetinių tyrimų interpretacijai.

Reikšmė mokslui ir medicinai

• ENCODE duomenys padeda interpretuoti ne koduojančių genominių vietų reikšmę: daug GWAS signalų lokalizuojasi ne baltymų koduojančiose sritėse, o reguliaciniuose elementuose.
• Projektas suteikė technologinį ir duomenų infrastruktūros pagrindą tolimesniems epigenomikos ir funkcinės genomikos tyrimams.
• Rezultatai paskatino mokslininkus gilinti supratimą apie genų raiškos reguliavimą, ląstelių diferenciaciją ir evoliucinius mechanizmus, kurie lemia fenotipus.

Duomenų prieinamumas ir tolesni žingsniai

ENCODE sukūrė didelį atvirų duomenų rinkinį, kurį mokslininkai gali naudoti anotacijoms, variantų interpretacijai ir hipotezių generavimui. Vėlesni projektai ir konsorciumai (pvz., Roadmap Epigenomics, GTEx ir kt.) išplėtė audinius ir ląstelių tipus, o metoduose tapo įprasta kombinuoti biocheminius, transkriptominius ir evoliucinius rodiklius, kad patikimiau nustatyti biologiškai reikšmingus elementus.

Išvados

ENCODE žymiai išplėtė mūsų žinias apie žmogaus genomą ir pabrėžė, kad ne baltymų koduojanti DNR turi daug svarbių reguliacinių funkcijų. Tačiau skaičiai ir teiginiai apie „funkciją“ yra sudėtingi ir reikalauja atidžios interpretacijos: biocheminė aktyvumas nėra automatiškai sinonimas su organizmo lygmens funkcija arba evoliuciniu konservavimu. Nepaisant to, ENCODE duomenys yra vertingas įrankis tyrėjams, besigilinantiems į genų reguliavimo tinklus, ligų mechanizmus ir žmogaus evoliuciją.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra ENCODE?

K: Kas atliko ENCODE darbą?

K: Ką jie sužinojo apie žmogaus genomą?

K.: Kaip jie atliko tyrimus?

K: Ką šie tyrimai rodo apie evoliuciją?

K: Kur buvo paskelbti jų rezultatai?

Paieška pagal raidę