Nevyzádaná DNA není po vsem nevyzádaná

V roce 2007 vyslo publikováno více nez 30 publikací Príroda, Vedaa dalsí casopisy tento mesíc pevne odmítá myslenku, ze krome 1% lidského genomu kódujícího bílkoviny je vetsina nasí DNA "nevyzádanou", která se casem nahromadila jako nejaké evolucní flotsam a jetsam.
Dokumenty, které predstavují deset let práce projektu ENCODE ("encyklopedie DNA elementu"), doplnené stovkami vedcu z desítek laboratorí po celém svete, ukazují, ze 80% lidského genomu slouzí urcitému úcelu a je biochemicky aktivní, napríklad pri regulaci exprese genu nacházejících se v blízkosti.
Sekvenování lidského genomu pomohlo zjistit, které mutace genu kódujících proteiny mohou zpusobit onemocnení. Nyní mapa nekódujících oblastí pomuze zjistit, jak mutace v regulacních prvcích vedou k nemocem, jako je lupus a diabetes.
John A. Stamatoyannopoulos, docent genomové vedy a medicíny na univerzite ve Washingtonu, vedl jeden z týmu, které provedly mapování a analýzu. Rekl tisk:
"Genové zaujímají jen nepatrný zlomek genomu a vetsina snah mapovat genetické príciny onemocnení byla frustrovaná signály, které odkázaly na geny."
"Ted víme, ze tyto snahy nebyly marné a ze signály ve skutecnosti ukazují na" operacní systém "genomu - pokyny, které jsou skryty v milionech míst kolem genomu," dodal.
Ben Raphael je profesorem pocítacové vedy na Brownove univerzite v USA a jeho výzkumné zájmy zahrnují genomiku rakoviny a uplatnování matematických metod na biologické otázky. Rekl, ze zjistení ENCODE by nám mela pomoci lépe porozumet lidské biologii a jak mohou genomové variace zpusobit onemocnení.
"Nejzajímavejsí je, ze nyní dostáváme celozivotní anotaci funkcních prvku," rekl Rafael, který se výzkumu nezúcastnil.

"Pokazdé, kdyz chcete pochopit, co delá urcitý kus genomu, muzete pouzít data z tohoto projektu," dodal.

Portál informací

Vedci ENCODE dohromady mapovali více nez 4 miliony regulacních oblastí v lidském genomu.
Z genetických sekvencních dat pro 140 typu bunek identifikovali tisíce oblastí DNA, které pomáhají jemne doladit genovou aktivitu a ovlivnovat, které geny se zapínají a vypínají v ruzných typech bunek.
Zjistili, ze daleko od toho, ze jsou nevyzádané, jsou tyto nekódující jednotky DNA zaneprázdneny tím, ze nabízejí místa pro pristání proteinu, které kontrolují genovou aktivitu nebo slouzí jako místa pro chemické zmeny, které kontrolují genovou expresi.
Data a výsledky ENCODE jsou tak slozité, ze se nekteré casopisy pripojily k vytvorení portálu publikovaných informací, takze ctenári mohou systematicky pracovat.
Portál muzete zadat na Príroda Webové stránky ENCODE.

Mapování nekódující DNA

Vedci ENCODE zkoumali chemické modifikace jednotlivých úseku DNA, které kontrolují, které genetické oblasti budou aktivní. Modifikace, známé spolecne jako epigenom, se lisí u ruzných bunek a ovlivnují jejich kontrolu bud prímo na DNA, nebo zmenou histonových proteinu, které DNA obklopuje.
Chcete-li zmapovat zmeny, týmy shromázdily mnoho ruzných druhu dat z ruzných typu bunek. Nekteré laboratore merily, jak prístupné úseky DNA byly rozdeleny na kusy enzymy. Jiní merili modifikace DNA nebo histonu.
Jeden tým výpocetních ved byl veden Manolisem Kellisem, profesorem na katedre elektrotechniky a informatiky na Massachusetts Institute of Technology (MIT) v USA.
Clen týmu, Anshul Kundaje, vedecký pracovník v MIT Computational Biology Group, pomohl vést práci k analýze a integraci velkého mnozství dat, která vysla z ruzných laboratorí. Vyvinuli tak ciste automatizovaný systém:
"Vzhledem k tomu, ze jsme dostali více nez 1000 datových sad, museli jsme zjistit zpusoby, jak automaticky kalibrovat experimenty," rekl Kundaje.
Výzkumníci zjistili, ze 80% genomu prochází nejakou biochemickou událostí, která je významná, jako je vazba na proteiny, které rídí, jak casto se pouzívá sousední gen.
Rovnez zjistili, ze stejná regulacní oblast muze hrát nekolik rolí, v závislosti na tom, která bunka reguluje.

Spolecné nemoci a klinické zvlástnosti

Aby nalezli spojení s beznými nemocemi a klinickými rysy, týmy analyzovaly genetické varianty, které byly s nimi dríve spojeny ve studiích s asociací genomu (GWAS).
GWAS porovnává genetické informace mezi skupinami lidí s urcitým onemocnením nebo znakem a bez nej. Za posledních deset let videlo takové mnozství studií pokrývajících více nez 400 chorob a zvlástností a týkalo stovek tisíc lidí po celém svete.
Ale v 95% prípadu studie poukazují na genetické varianty, které lezí mimo oblasti kódující protein genomu.
Kdyz vedci ENCODE zkoumali nálezy skrze objektivy svých nových map nekódujících regulacních oblastí, zjistili, ze predchozí úsilí GWAS nebylo zbytecné, protoze objevili:

• 76% variant nekódujících oblastí souvisejících s chorobami je bud uvnitr nebo tesne spojeno s regulacní DNA, coz naznacuje, ze mnoho nemocí je zpusobeno zmenami, kdy, kde a jak se zapínají proteiny-kódující geny spíse nez mutace samotných genu.


• 88% regulacních oblastí, které mají varianty DNA spojené s onemocneními, jsou aktivní v casných stádiích rustu lidského plodu. Zatímco mnoho z nich je spojeno s onemocneními, ke kterým dochází v dospelosti, naznacují to objevy ENCODE co se deje na obvod genomu pred narozením, muze ovlivnit sance na získání onemocnení mnohem pozdeji v zivote.


• DNA mutace spojené se specifickými onemocneními se objevují ve specifických cástech krátkých kódu DNA, které jsou cteny proteiny, které regulují procesy techto onemocnení nebo orgány nebo bunky, které tyto choroby ovlivnují. Napríklad mutace, které se objevují u diabetu, bývají lokalizovány v kóduch DNA, které pouzívají proteiny, které regulují metabolismus cukru a sekreci inzulínu. A mutace spojené s autoimunitními chorobami, jako je roztrousená skleróza, astma a lupus, se obvykle objevují v kóduch DNA, které jsou specificky ctené bílkovinami, které regulují imunitní funkci.


• Mnoho onemocnení, které lze povazovat za nesouvisející, se zdají sdílet spolecné regulacní obvody v genomu. Mezi ne patrí onemocnení imunitního systému, nekteré druhy rakoviny a rada neuropsychiatrických poruch.


• Tisíce variant spojených s onemocnením zjisteným ve studiích GWAS, které byly predtím ignorovány, se také staly významnými pri vysetrení skrze cocku regulacní DNA. Ty jsou vysoce selektivne lokalizovány v regulacní DNA typu bunecných typu specifických pro nemoc.


• Prekvapivým zjistením bylo, ze regulacní mapy DNA mohou pomoci pri urcování typu bunek, které hrají roli v konkrétních onemocneních, aniz by musely vedet, jak nemoc funguje. Existují napríklad genetické varianty spojené s Crohnovou chorobou, bezným typem zánetlivého strevního onemocnení, které vedci shledali soustredenými v regulacních oblastech dvou typu imunitních bunek: tytéz typy, které dríve venovaly vedce desetiletí spojení s Crohnovou chorobou.

Zachování nukleotidu

Výzkumní pracovníci ENCODE se podívali také na stavební bloky DNA, nukleotidy A, T, C a G a na to, jak byly zachovány v nove mapovaných regulacních oblastech. Zachované znamená, ze se nezmenily behem dlouhých období evoluce. Vedci to mohou videt analýzou variability v tech oblastech DNA v rámci druhu a mezi nimi.
Kellis a kolegové nedávno zverejnili clánek, který ukázal, ze 5% nekódující DNA je zachováno u savcu.

V jednom z dokumentu ENCODE zverejnených online v roce 2006 Veda dne 5. zárí Kellis a Lucas Ward, postdoctorální výzkumník na MIT, odhalují, ze dalsí 4% nekódující DNA je u lidí konzervováno, coz naznacuje, ze tyto oblasti ovládají rysy, které se nedávno vyvinuly a nekteré jsou pro cloveka jedinecné.
Mnoho z genu v nove identifikovaných regulacních oblastech kóduje regulátory, které prepínají jiné geny, jak Ward vysvetlil:
"Geny podílející se na dráze rustu nervu a barevném videní, oba které byly hypotézou, ze jsou nedávnými inovacemi v primátovém puvodu, jsou obohaceny o lidsky omezené prvky v neskonzervativních oblastech."
Vedci také zjistili, ze nukleotidy, které jsou nejcasteji spojeny s onemocnením, kdyz byly mutovány, byly také nejzachovalejsími.
Ve svých dokumentech ukazuje, jak jsou mutace spojené s autoimunitními chorobami, jako je lupus a revmatoidní artritida, umísteny v oblastech, které jsou aktivní pouze uvnitr imunitních bunek. A regiony s variantami spojenými s metabolickými onemocneními jsou aktivní pouze v jaterních bunkách.

Dalsí krok

Nové studie úcinne mapují soubor referencních poznámek o spolecných funkcích lidského genomu.
Ve své dalsí fázi práce chtejí týmy ENCODE zjistit, jak variace vedou k onemocnení, personalizací map, jak vysvetluje Kellis:
"... v podstate se ptát, jak se prirozene lisí mezi jednotlivci, profilováním ruzných typu bunek od ruzných lidí a jak se jejich variace týká lidských onemocnení a slozitých lidských znaku."
Napsal Catharine Paddock PhD