Проект «Геном человека» показал, что ~ 1-2% нашего генома вырабатывает функциональные белки, в то время как роль остальных 98-99% остается загадочной. Исследователи пытались раскрыть окружающие его тайны, и эта статья проливает свет на наше понимание его роли и последствий для здоровья и болезней человека.
С момента завершения проекта "Геном человека" (HGP) в апреле 2003 г.1считалось, что, зная всю последовательность генома человека, который состоит из 3 миллиардов пар оснований или `` пар букв '', геном станет открытой книгой, с помощью которой исследователи смогут точно указать, как сложный организм как человек будучи работами, которые в конечном итоге приведут к обнаружению нашей предрасположенности к различным видам болезней, улучшат наше понимание того, почему возникают болезни, а также найдут лекарство от них. Однако ситуация стала очень запутанной, когда ученым удалось расшифровать только его часть (только ~ 1-2%), которая составляет функциональные белки, определяющие наше фенотипическое существование. Роль 1-2% ДНК в создании функциональных белков соответствует центральной догме молекулярной биологии, которая гласит, что ДНК сначала копируется для создания РНК, особенно мРНК, с помощью процесса, называемого транскрипцией, с последующим образованием белка мРНК путем трансляции. Говоря языком молекулярных биологов, эти 1-2% генома человека кодируют функциональные белки. Остальные 98-99% называются «мусорной ДНК» или «темной материей», которая не производит никаких функциональных белков, упомянутых выше, и переносится как «багаж» каждый раз, когда рождается человек. Чтобы понять роль остальных 98-99% генома, проект ENCODE (ENCyclopedia Of DNA Elements)2 была запущена в сентябре 2003 года Национальным институтом исследования генома человека (NHGRI).
Результаты проекта ENCODE показали, что большая часть «темной материи» состоит из некодирующих последовательностей ДНК, которые функционируют как важные регуляторные элементы, включая и выключая гены в разных типах клеток и в разные моменты времени. Пространственное и временное действие этих регуляторных последовательностей до сих пор не совсем ясно, поскольку некоторые из них (регуляторные элементы) расположены очень далеко от гена, на который они действуют, в то время как в других случаях они могут находиться близко друг к другу.
Состав некоторых областей генома человека был известен еще до запуска проекта «Геном человека»: ~ 8% генома человека происходит из вирусных геномов, встроенных в нашу ДНК в виде эндогенных ретровирусов человека (HERV).3. Эти HERV участвуют в обеспечении врожденного иммунитета человека, действуя как регуляторные элементы для генов, контролирующих иммунную функцию. Функциональная значимость этих 8% была подтверждена результатами проекта ENCODE, который предположил, что большинство «темной материи» функционируют как регулирующие элементы.
Помимо результатов проекта ENCODE, за последние два десятилетия доступно огромное количество исследовательских данных, предполагающих правдоподобную регулирующую роль и роль «темной материи» в развитии. Используя общегеномные ассоциативные исследования (GWAS), было установлено, что большинство некодирующих областей ДНК связаны с общими заболеваниями и признаками.4 и вариации в этих областях функционируют, чтобы регулировать начало и тяжесть большого количества сложных заболеваний, таких как рак, болезни сердца, расстройства мозга, ожирение, среди многих других.5,6. Исследования GWAS также показали, что большинство этих некодирующих последовательностей ДНК в геноме транскрибируются (преобразуются в РНК из ДНК, но не транслируются) в некодирующие РНК, и нарушение их регуляции приводит к различным болезням.7. Это предполагает способность некодирующих РНК играть регулирующую роль в развитии заболевания.8.
Кроме того, часть темной материи остается некодирующей ДНК и регулирует функцию энхансеров. Как следует из этого слова, эти энхансеры действуют путем усиления (увеличения) экспрессии определенных белков в клетке. Это было показано в недавнем исследовании, в котором усиливающие эффекты некодирующей области ДНК делают пациентов восприимчивыми к сложным аутоиммунным и аллергическим заболеваниям, таким как воспалительное заболевание кишечника.9,10, тем самым приводя к идентификации новой потенциальной терапевтической мишени для лечения воспалительных заболеваний. Усилители темной материи также участвовали в развитии мозга, и исследования на мышах показали, что удаление этих областей приводит к аномалиям в развитии мозга.11,12. Эти исследования могут помочь нам лучше понять сложные неврологические заболевания, такие как болезнь Альцгеймера и Паркинсона. Также было показано, что «темная материя» играет роль в развитии рака крови.13 такие как хронический миелоцитарный лейкоз (ХМЛ) и хронический лимфолейкоз (ХЛЛ).
Таким образом, «темная материя» представляет собой важную часть генома человека, чем предполагалось ранее, и оказывает непосредственное влияние на здоровье человека, играя регулирующую роль в развитии и возникновении заболеваний человека, как описано выше.
Означает ли это, что вся «темная материя» либо транскрибируется в некодирующие РНК, либо играет роль энхансера в качестве некодирующей ДНК, действуя как регуляторные элементы, связанные с предрасположенностью, началом и вариациями различных заболеваний, вызывающих у людей? Исследования, проведенные до сих пор, показывают сильное преобладание таких же, и новые исследования в ближайшие годы помогут нам точно очертить функцию всей «темной материи», что приведет к идентификации новых целей в надежде найти лекарство от них. изнурительные болезни, поражающие человечество.
Ссылки:
1. «Завершение проекта« Геном человека »: часто задаваемые вопросы». Национальный институт исследования генома человека (NHGRI). Доступно в Интернете по адресу https://www.genome.gov/human-genome-project/Completion-FAQ Доступ 17 мая 2020 г.
2. Смит Д., 2017. Загадочные 98%: ученые стремятся пролить свет на «темный геном». Доступно в Интернете по адресу https://phys.org/news/2017-02-mysterious-scientists-dark-genome.html Доступ 17 мая 2020 г.
3. Сони Р., 2020. Люди и вирусы: краткая история их сложных взаимоотношений и последствий для COVID-19. Scientific European Опубликовано 08 мая 2020 г. Доступно на сайте https://www.scientificeuropean.co.uk/humans-and-viruses-a-brief-history-of-their-complex-relationship-and-implications-for-COVID-19 Доступ 18 мая 2020 г.
4. Maurano MT, Humbert R, Rynes E, et al. Систематическая локализация общих вариаций в регуляторной ДНК, связанных с заболеванием. Наука. 2012 7 сентября; 337 (6099): 1190-5. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1222794
5. Каталог опубликованных исследований общегеномных ассоциаций. http://www.genome.gov/gwastudies.
6. Хиндорф Л.А., Сетупати П. и др. 2009. Возможные этиологические и функциональные последствия полногеномных ассоциативных локусов для болезней и признаков человека. Proc Natl Acad Sci US A. 2009, 106: 9362-9367. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.0903103106
7. Сен-Лоран Г., Вяткин Ю. и Капранов П. РНК темной материи проливает свет на загадку полногеномных ассоциативных исследований. BMC Med 12, 97 (2014). DOI: https://doi.org/10.1186/1741-7015-12-97
8. Мартин Л., Чанг Х.Й. Раскрытие роли геномной «темной материи» в болезнях человека. J Clin Invest. 2012;122 (5): 1589-1595. https://doi.org/10.1172/JCI60020
9. Институт Бабрахама 2020. Раскрытие того, как области генома «темной материи» влияют на воспалительные заболевания. Опубликовано 13 мая 2020 г. Доступно онлайн по адресу https://www.babraham.ac.uk/news/2020/05/uncovering-how-dark-matter-regions-genome-affect-inflammatory-diseases Доступ 14 мая 2020 г.
10. Насралла Р., Имиановски С.Дж., Боссини-Кастильо Л. и др. 2020. Дистальный энхансер в локусе риска 11q13.5 способствует подавлению колита с помощью Treg-клеток. Природа (2020). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2296-7
11. Dickel, DE et al. 2018. Для нормального развития необходимы ультраконсервированные энхансеры. Cell 172, Issue 3, P491-499.E15, 25 января 2018 г. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2017.12.017
12. ДНК «темной материи» влияет на развитие мозга. DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-018-00920-x
13. Темная материя: определение тонких форм рака крови с использованием самой темной ДНК. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007332
