Определены новые генетические регуляторы регенерации

28 августа 2018



Ученые из Биологической лаборатории MDI и Университета штата Мэн обнаружили, что генетический материал в клетке, который ранее считался «мусорным» из-за отсутствия функций, вероятно, играет роль в регулировании генетических схем, ответственных за восстановление тканей и органов у животных с высоким уровнем регенерации. Это открытие может привести к разработке лекарств, способных запустить бездействующие у людей пути регенерации.

Рыбка данио, обычная аквариумная рыба, является одним из гуру регенерации. Изучая ранние стадии регенерации сердца у рыбок данио, кандидат биологических наук MDI Виравут П. Инь и Бенджамин Л. Кинг, доктор философии, из Университета штата Мэн обнаружили генетический материал в клетке, который, вероятно, играет роль в регулировании генетических схем, ответственных за регенерацию у высокореактивных животных.

Кандидат биологических наук MDI Виравут П. Инь и Бенджамин Л. Кинг, доктор философии из Университета штата Мэн, провели идентификацию этих «длинных некодирующих РНК», изучив геномные данные высокорегенерирующих животных, включенных в систему RegenDbase (Информационная база сравнительных моделей регенерации), разработанной Биологической лабораторией MDI. Открытие этих новых длинных некодирующих РНК и понимание их роли в регуляции регенерации может дать ответ на важнейший вопрос, волнующих команду ученых Биологической лаборатории MDI: если высокорегенерирующие животные, такие как рыбки данио и саламандры, могут регенерировать ткани и органы, почему мы этого не можем? Этот ответ мог бы однажды привести к разработке лекарств, запускающих, возможно имеющиеся у нас, но пока дремлющие пути регенерации. Как и у большинства других млекопитающих, способность к регенерации у взрослых людей ограничена. Результаты исследования были опубликованы в недавнем выпуске научного журнала «NPJ Regenerative Medicine». «Многие хронические и дегенеративные заболевания характеризуются ограниченной способностью восстанавливать поврежденные ткани», — сказал Инь. «Совершенствуя наше понимание генетической регуляции регенерации у сильно регенерирующих животных, мы сможем однажды вызвать с помощью лекарственных средств, которые будут манипулировать этими путями, регенерацию у людей». Ученые изучали на ранних стадиях регенерации сердца у рыбок данио, обычных аквариумных рыб, которые являются одним из чемпионов природы по регенерации, роль некодирующей РНК или РНК, которую раньше считали «мусорной» (англ. junk RNA), потому что она не производит белки. РНК, или рибонуклеиновая кислота, как правило, выступает в качестве посланника, который передает инструкции от ДНК, носителя генетической информации, к клеточным структурам, которые производят белки, участвующие в различных биологических процессах.
«Один из секретов для расшифровки загадки, почему рыбка данио может восстановить свое сердце, в то время как взрослые люди не могут, кроется в этих некодирующихся РНК», — сказал Кинг, ведущий автор статьи. «Гены, кодирующие белок у рыбок данио и людей более или менее одинаковы, а отличает нас то, как эти гены регулируются некодирующейся РНК во время регенерации».

Открытия Инь и Кинга, а также другие недавние достижения в области регенеративной биологии стали возможны благодаря внедрению в практику сложных геномных инструментов, которые ученые могут использовать для идентификации сетей генов, ответственных за организацию комплексного процесса регенерации у высокорегенерирующих животных. Применяя эти инструменты, авторы создали подробный атлас экспрессии генов регенерации для восстановления сердца данио и зафиксировали данные как точку отсчета для сравнения с другими моделями. Используя вычислительный анализ, они выявили общие и уникальные закономерности экспрессии генов в геномных данных различных видов. «Биологическая роль более 90% генетического материала в клетке неизвестна, и возникает вопрос о том, для чего нужны эти гены?», — сказал Герман Халлер, доктор философии, президент Биологической лаборатории MDI. «Это выдающееся открытие демонстрирует силу вычислительной биологии для отображения этого неизвестного нам генетического ландшафта».

Инь и Кинг изучали роли двух типов некодирующих РНК: микроРНК и длинных некодирующих РНК во время регенерации сердца рыбок. В дополнение к выяснению роли микроРНК, которая, как известно, играет регуляторную роль в регенерации сердца, ученые также выявили и роль уже известных науке и ранее неизвестных длинных некодирующих РНК и генов, которые они потенциально регулируют, путем поиска генетической близости, что Кинг образно назвал «виной по ассоциации», по аналогии с юридическим термином. Следующим шагом является проведение исследования избранной группы длинных некодирующих РНК у различных позвоночных, отличающихся друг от друга способностями к регенерации, с целью проверки функций сетей генов-мишеней, которые ученые определили, и проверка степени влияния этих длинных некодирующих РНК на регулирование сетей. В данной работе также представлена ​​новая база данных RegenDbase, которая позволяет ученым сравнивать и противопоставлять регуляторные пути генов внутри тканей и между ними с исследовательскими моделями, с упором на некодирующие РНК.

База данных была создана с использованием нового набора данных по регенерации сердца у рыбок данио, созданного в Биологической лаборатории MDI, а также на основе существующих данных о типах повреждения тканей у разных видов. Ожидается, что полезность базы данных, доступной для общественности, будет возрастать по мере добавления большего количества данных, в том числе благодаря изучению образцов тканей человека.

Инь сравнил эту базу данных с Rosetta Stone (Розеттский камень — плита из гранодиорита, найденная в 1799 году в Египте, с выбитыми на ней тремя идентичными по смыслу текстами, два из которых были на древнеегипетском языке, а третьим был хорошо известный лингвистам древнегреческий, сопоставление трёх текстов стало отправной точкой для расшифровки египетских иероглифов). Точно так же пробоподготовка генетических образцов и их сведение в одну базу данных помогает ученым переводить генетический код регенерации из одного вида в другой. «Все в биологии поставляется с инструкцией по эксплуатации», — сказал Инь, объясняя аналогию. «Если руководство по регенерации написано на древнем египетском для рыбок данио и на греческом для млекопитающих, мы можем использовать базу данных для перевода кодов на один и тот же язык, чтобы мы могли идентифицировать компоненты, которые отсутствуют у млекопитающих».