Обзор экспрессии генов

Экспрессия генов — это процесс, при котором информация, содержащаяся в ДНК клетки, используется для создания функциональных продуктов. Эта тщательно организованная процедура регулируется на нескольких этапах, и неправильная регуляция часто может привести к таким заболеваниям, как рак.

В этом видео представлен обзор истории исследований экспрессии генов, ключевые вопросы, методы в этой области и способы их применения.

Мы начнем с обзора некоторых основных открытий в области экспрессии генов.

Первая убедительная модель того, как ДНК может нести генетическую информацию, была создана в 1953 году, когда Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон, опираясь на данные Розалинд Франклин, разгадали структуру ДНК — двойной спирали, состоящей из двух линейных цепочек нуклеотидных оснований, расположенных в определенной, но бесконечно изменчивой последовательности.

Пять лет спустя Крик выдвинул две важные идеи, которые легли в основу нашего понимания экспрессии генов. Его «гипотеза последовательности» предполагала, что нуклеотидная последовательность ДНК используется через нестабильный промежуточный РНК в качестве кода для аминокислотных последовательностей белков. В то же время его «центральная догма» выдвигала гипотезу о различных потоках генетической информации, которые могут происходить, и, в частности, утверждала, что информация не может быть передана от белка обратно к нуклеиновым кислотам.

В 1960 году Франсуа Жакоб и Жак Моно, работая над генами, метаболизирующими лактозу у бактерий, предложили модель регуляции экспрессии генов. Они предположили, что экспрессия «структурных генов», которые выполняют структурные или ферментативные функции, контролируется продуктами «регуляторных генов», которые связываются с соседними регуляторными участками. Теперь мы знаем, что в значительной степени сходные режимы регуляции генов, опосредованные белками, называемыми факторами транскрипции, имеют место у всех организмов.

Год спустя, в 1961 году, Джейкоб вместе с Сиднеем Бреннером открыл матричную или «м»-РНК как нестабильный промежуточный продукт между ДНК и белками, предложенный Криком. В том же году Бреннер и Крик начали взламывать «генетический код», который определяет, как информация в ДНК кодирует белки. Они определили, что каждый триплет соседних нуклеотидов, или «кодон», указывает на одну из 20 аминокислот, составляющих белки.

В течение следующих нескольких лет исследователи во главе с Маршаллом Ниренбергом, Харом Гобиндом Хораной и Северо Очоа использовали несколько подходов для определения аминокислот, кодируемых всеми 64 возможными кодонами. После взлома генетического кода ученые продолжили исследовать, как регулируется экспрессия генов.

Крупное открытие было сделано в 1974 году, когда Роджер Корнберг и его коллеги показали, что ДНК в эукариотических клетках, таких как клетки животных и растений, «оборачивается» вокруг комплексов белков-гистонов, образуя структуры, которые теперь называются «нуклеосомами».

Еще один поворот произошел в 1977 году, когда Фил Шарп и Рич Робертс обнаружили, что последовательности мРНК не полностью комплементарны соответствующим им матрицам ДНК. Пять лет спустя исследовательская группа Рональда Эванса продемонстрировала, что «альтернативный» сплайсинг одного и того же транскрипта может привести к образованию вариантов, или «изоформ», одного и того же белка с различными функциями.

С 1990-х годов наше понимание сложности генных регуляторных сетей значительно расширилось с открытием РНК-опосредованного сайленсинга генов. Теперь мы знаем, что несколько различных семейств малых РНК, члены которых имеют размер 20-30 нуклеотидов, регулируют экспрессию генов различными способами.

Рассмотрев историю исследований экспрессии генов, давайте рассмотрим некоторые основные вопросы в этой области.

Одна из исследуемых тем заключается в том, как факторы транскрипции регулируют гены. Ученые заинтересованы не только в идентификации геномных последовательностей, связанных транскрипционными факторами, но и в изучении того, как регуляторные белки взаимодействуют друг с другом для интеграции сигналов и регулирования экспрессии генов.

Другие исследователи изучают альтернативный сплайсинг и то, как этот процесс регулируется в различных биологических контекстах. Кроме того, некоторые из них пытаются определить, всегда ли изоформы белков выполняют разные, отличные друг от друга функции.

Наконец, многие исследователи изучают механизм действия малых РНК и пытаются определить их регуляторные мишени. Также растет интерес к тому, можно ли использовать малые РНК в качестве «биомаркеров» для диагностики заболеваний.

Теперь давайте посмотрим на инструменты, которые исследователи используют для оценки экспрессии генов.

Популярным методом является обратная транскрипция, или «ОТ»-ПЦР, которая преобразует РНК в комплементарную или «с»-ДНК перед тем, как подвергнуть ее амплификации. Включив флуоресцентные молекулы, которые встраиваются в ДНК во время ПЦР, можно использовать этот метод для количественного измерения экспрессии генов и наблюдения за результатами в режиме реального времени.

Для одновременной оценки экспрессии тысяч генов можно использовать микрочипы. Здесь последовательности ДНК «печатаются» на предметных стеклах, которые затем гибридизуются с флуоресцентными зондами, полученными из образца РНК. Полученный паттерн флуоресценции может быть использован для идентификации экспрессированных генов.

Другим методом профилирования экспрессии генов является секвенирование транскриптома, или всех экспрессированных РНК в клетке. Здесь кДНК, полученная из образцов РНК, подвергается высокопроизводительному секвенированию. В отличие от микрочипов, секвенирование транскриптома не требует уже существующей геномной информации и может быть использовано для идентификации неизвестных транскриптов или новых изоформ генов.

Исследователи также могут визуально оценить, где экспрессируется ген, используя гибридизацию in situ. В этом методе РНК сначала гибридизуется с комплементарными зондами, которые затем могут быть распознаны фермент-конъюгированными антителами, производящими визуальный цветовой или флуоресцентный сигнал.

Репортерный анализ является еще одним методом, который может дать представление о регуляции генов. Продукт репортерного гена генерирует сигнал, такой как цвет или флуоресценция. Репортер может быть непосредственно слит с геном, представляющим интерес, или находиться под контролем регуляторной последовательности, такой как промотор, который управляет транскрипцией гена, или более отдаленного энхансерного элемента. Репортерный сигнал может затем выступать в качестве индикатора активности регуляторного элемента или паттерна экспрессии интересующего гена.

Наконец, иммунопреципитация хроматина или «ChIP» может быть использована для идентификации геномных участков, с которыми связываются факторы транскрипции при регуляции экспрессии генов. Здесь комплексы белков и связываемая ими ДНК изолируются антителами, а целевая ДНК идентифицируется с помощью ПЦР или секвенирования.

Рассмотрев методы изучения экспрессии генов, давайте рассмотрим некоторые из их применений.

Клетки в популяции могут демонстрировать тонкие различия в экспрессии генов, которые могут иметь биологические последствия. В этом исследовании ученые поместили отдельные человеческие эмбриональные стволовые клетки из одной и той же культуры в отдельные лунки на планшете. Используя количественную ОТ-ПЦР, ученые определили, что экспрессия Nanog — «маркера» стволовых клеток — различается в пределах образца.

Некоторые исследователи выясняют, функционируют ли разные изоформы регуляторных белков по-разному. Здесь ChIP был применен к иммунным клеткам человека для идентификации связывающих мишеней «длинной» и «короткой» изоформ белка. Результаты секвенирования показали, что некоторые гены-мишени были распознаны только по короткой изоформе, что указывает на потенциальные функциональные различия.

Наконец, репортерные анализы могут быть использованы для оценки регуляции генов, опосредованной малыми РНК, такими как микроРНК. Поскольку микроРНК могут подавлять экспрессию генов, связываясь с 3° нетранслируемыми областями мРНК, ученые прикрепили эту область из разных генов к люциферазному репортеру и ввели каждую из них в клетки вместе с микроРНК. Затем были идентифицированы гены-мишени микроРНК путем поиска клеток со сниженным сигналом люминесценции.

Вы только что посмотрели введение JoVE в экспрессию генов. Мы рассмотрели основные результаты исследований экспрессии генов, важные вопросы и методы в этой области, а также некоторые текущие приложения. Как всегда, спасибо за просмотр!