Назад
Исследование выявило почти 3 000 генов, в которых один аллель имеет тенденцию быть выраженным больше, чем другой, но результаты исследования вызвали споры в этой области.
Каждый человек несет две копии большинства генов, причем одна версия, или аллель, исходит от каждого родителя. Несмотря на то, что эти копии, как правило, функционально избыточны, обычная генетическая теория гласит, что биаллельная экспрессия, при которой оба аллеля транскрибируются одинаково при экспрессии гена, является почти универсальной. Однако исследование, опубликованное в январе в журнале Cell Reports, утверждает нечто иное: возможно, клеткам свойственно преимущественно экспрессировать только один из аллелей гена.
Используя модель, характеризующую закономерности в экспрессии аллелей на основе данных секвенирования РНК, исследователи обнаружили, что оба аллеля некоторых генов одинаково активны в тканях, но для почти 3000 генов клетки предпочитают один аллель или другой, демонстрируя то, что авторы называют случайной (рандомной) аллельной экспрессией (RAE). По словам авторов, эти гены с большей вероятностью приобретают вредные мутации и поэтому могут выступать в качестве биомаркеров для прогнозирования или диагностики заболеваний.
Брайан Чен, биолог из Университета Макгилла, говорит, что исследование было "очень интересным", добавляя: "Я определенно думаю, что подход был действительно умным". Хотя Чен не один хвалил эту работу, ее результаты вызвали некоторые споры.
Несбалансированная экспрессия аллелей - известное генетическое явление, но считается, что оно встречается редко. Однако есть и более распространенные исключения, например, как клетки с двумя Х-хромосомами инактивируют одну из них во время развития, чтобы контролировать уровень экспрессии сцепленных с Х генов, которые могут быть токсичными в двойных дозах. Также ученые описали примеры случайной моноаллельной экспрессии, когда клетки экспрессируют только один аллель и подавляют другой, но эксперты расходятся во мнениях относительно распространенности этого явления. Некоторые исследования предполагают, что оно встречается в 10 % генов, однако Рикард Сандберг, генетик из Каролинского института в Швеции, говорит, что его эксперименты показали, что несбалансированная экспрессия, скорее всего, встречается менее чем в 1% генов.
Кристофер Грегг, нейробиолог и генетик из медицинской школы Университета Юты, подозревает, что смещенная активность аллелей встречается чаще, чем предполагается в литературе. Его лаборатория ранее обнаружила широко распространенные доказательства аллельного дисбаланса в мозге мышей и в культивируемых клетках. "Мы обнаружили, что есть некоторые гены, в которых два аллеля абсолютно согласованы друг с другом", - объясняет Грегг. "Но были и другие гены, которые были полностью разобщены".
Желая распространить полученные результаты на ткани человека, Грегг привлек свою бывшую аспирантку Стефани Кравиц к анализу большого набора данных RNAseq консорциума "Экспрессия генотипа ткани" (GTEx), который включал последовательности более 15 000 генов в 54 тканях от 832 человеческих доноров. На основе этих данных Кравиц рассчитала частоту встречаемости каждого аллеля в разных тканях.
Затем исследователи сравнили относительные уровни экспрессии генов каждого аллеля в различных тканях каждого человека, предположив, что если два аллеля экспрессируются биаллельно, то общее соотношение экспрессии аллелей должно соответствовать биномиальному распределению, тогда как случайно экспрессирующиеся аллели - нет. В качестве контроля они проверили, сможет ли метод отличить гены, сцепленные с Х-сетью, от аутосомных генов, и действительно, модель обозначила гены, сцепленные с Х-сетью, как RAE, подтвердив способность модели различать смещенную экспрессию аллелей.
В целом, анализ выявил 2 762 гена, не сцепленных с Х-сетью, которые соответствуют модели RAE. Если быть точным, то это число составляет почти 10 % известных человеческих генов. Проведя анализ онтологии генов, который аннотирует молекулярные мишени и биологические процессы, связанные с группой генов, исследователи обнаружили, что RAE-гены с большей вероятностью вовлечены в иммунную адаптивность и клеточную пластичность, чем биаллельные гены. Биаллельные гены, с другой стороны, гораздо более эволюционно консервативны и чаще связаны с выживанием клеток, объясняет Грегг, что означает, что они менее подвержены мутациям. Исследователи также обнаружили, что биаллельные гены, как правило, расположены вблизи центромеры, что указывает на то, что они с меньшей вероятностью подвергнутся рекомбинации, в то время как гены со случайными аллелями чаще всего группируются вблизи кончиков теломер.
Онтологический анализ также показал, что гены RAE связаны с заболеваниями, говорит Грегг. "Они преимущественно обогащены вокруг генов, которые [связаны] с возрастными заболеваниями, такими как сердечно-сосудистые заболевания, рак и болезни сердца", и поэтому понимание того, где и почему один аллель экспрессируется больше, чем его аналог, может привести к более точной оценке риска для здоровья или даже диагнозу, полагает он. Более того, говорит Грегг, результаты исследования опровергают идею о том, что все клетки человека работают с одним и тем же набором генетических схем.
"Если дело обстоит так, что есть некоторые клетки, которые экспрессируют этот аллель, и другие клетки, которые экспрессируют этот аллель, то они на самом деле имеют разные генотипы", - объясняет он. "Это действительно поражает воображение".
Чен отмечает, что для него, как экспериментатора, "имеет смысл", что некоторые гены будут регулироваться более жестко, чем другие. Он добавляет, что подобные исследования могут помочь ученым выявить потенциальные гены, вызывающие заболевания, которые затем могут стать объектами для будущих исследований.
Александр Менденхолл, генетик из Университета Вашингтона, сообщил, что исследование "замечательное" и что авторы получили "хороший положительный контроль с инактивацией X", что является захватывающим результатом. Он согласен с Греггом в том, что исследование имеет трансляционный потенциал. Оно предполагает, что частью профиля персонализированной медицины пациента может быть профиль экспрессии генов на уровне, который учитывает эти "аллельные предубеждения".
Однако не все с этим согласны. Сандберг отмечает, что пока не существует механистической основы того, что авторы называют случайной аллельной экспрессией. "Это не основано на устоявшихся концепциях, таких как импринтинг, инактивация Х-хромосомы, аллельный дисбаланс или случайная моноаллельная экспрессия", - подчеркивает он, и поэтому сомневается в значимости полученных результатов. "Мы не знаем, уместно ли вообще использовать" математическую модель, которую авторы применили, поскольку, по его мнению, она может улавливать не связанные с экспрессией явления, которые можно объяснить вариациями от клетки к клетке, например, специфический для клеток альтернативный сплайсинг. Он говорит, что другие методы, такие как RNAseq отдельных клеток, могли бы дать исследователям больше информации о том, какие типы клеток они рассматривают, и, следовательно, помочь разграничить явления.
Грегг признает, что механизмы, лежащие в основе случайной экспрессии аллелей, неизвестны, но придерживается методологии, которую использовала команда. Он утверждает, что методы исследования единичных клеток полезны, но имеют "ограниченное применение" для профилирования тканей всего организма и могут давать "технически зашумленные данные". Он добавляет, что поскольку гены RAE более устойчивы к мутациям и связаны с заболеваниями, они показывают "новые важные связи" между RAE и факторами, определяющими различия между людьми, и являются мишенью для будущих исследований.
Грегг также утверждает, что, скорее всего, в игре участвуют несколько механизмов. Например, он указывает на транскрипционную интерференцию, когда соседние гены с перекрывающимися последовательностями не могут быть активны одновременно. Другая возможность - энхансерная интерференция, когда два гена конкурируют за использование одного и того же энхансера. "Правда в том, что мы не знаем причины" RAE, - говорит Грегг. "Скорее всего, не будет одного решения, которое объяснит все".
В дополнение к выяснению механизмов RAE, Грегг надеется продолжить изучение этого явления в тканях человека и его связи с такими заболеваниями, как рак. Он предполагает, что RAE может быть биомаркером того, насколько опасны опухоли или насколько хорошо организм копирует ДНК по мере старения.
Stephanie N. Kravitz et al. Случайная (рандомная) экспрессия аллелей в организме взрослого человека (аннотация).
Обычно предполагается, что гены одинаково экспрессируют оба родительских аллеля, однако клеточные линии демонстрируют случайную аллельную экспрессию (RAE) для многих аутосомных генов, которая может определять генетические эффекты. Таким образом, изучение RAE в тканях человека может улучшить наше понимание фенотипических вариаций.
В данном исследовании мы разработали методику геномного профилирования RAE и биаллельной экспрессии в наборах данных GTEx для 832 человек и 54 тканей. Мы сообщаем о 2 762 аутосомных генах с некоторыми свойствами RAE, похожими на случайно инактивированные сцепленные с Х гены. Мы обнаружили, что RAE ассоциируется с быстро эволюционирующими областями генома человека, адаптивными сигнальными процессами и генами, ассоциированными с возрастными заболеваниями, такими как нейродегенерация и рак. Мы определили предполагаемые механистические подтипы RAE, отличающиеся перекрытием генов на смысловых и антисмысловых нитях ДНК, объединением в кластеры вблизи теломер, а также повышенной сложностью регуляции и входов по сравнению с биаллельными генами. Мы закладываем основы для изучения RAE в фенотипах человека, эволюции и заболеваниях.
