Биолози се заемат с 20 000 неизследвани досега човешки гени

Националният институт по здравеопазване на САЩ започва безпрецедентно изследване на функциите на човешкия наследствен материал. За първи път в историята на науката консорциумът MorPhiC ще създаде пълен каталог, описващ ролята на всеки ген в организма, включително взаимодействието им един с друг.

Съвременните технологии ни позволяват да изучаваме човешкия генетичен код в детайли, но функциите на повечето наследствени единици все още са загадка.

От приблизително 20 000 участъка на ДНК, които кодират белтъци, учените имат добра представа за работата само на малка част от тях – главно тези, които са свързани с различни заболявания. Останалите последователности, въпреки че осигуряват жизнената дейност на организма остават почти неизследвани.

Първият етап на проекта, който стартира през 2022 гoдина ще обхване 1000 генетични елемента. Успоредно с това ще бъде създадена информационна инфраструктура за обмен на данни и проверка на резултатите. Изследователите планират да използват различни методи за редактиране на генома, като последователно „изключват“ участъци от ДНК един по един, за да наблюдават как това се отразява на поведението на тъканите.

Клетките на човешкото тяло могат да се сравнят с градове, които никога не спят. В центъра на всяка клетка се намира ядрото – структура с форма на праскова, която съдържа ДНК. Вътре има постоянно движещи се молекули, които превръщат генетичната информация в протеини – основните „работни коне“ на тялото, които контролират метаболизма, задействат имунната защита и пренасят кислорода в кръвта.

До неотдавна изследването на един ген отнемаше години. Ситуацията се промени с появата на високопроизводителното секвениране на ДНК – технология, която позволява бързо да се прочете последователността на нуклеотидите в молекулата на наследствения материал.

Това ускори търсенето на алели – различни варианти на един и същ ген, получени в резултат на естествени мутации. Някои алели не оказват влияние върху организма, други определят индивидуалните ни характеристики като цвета на очите, а трети могат да увеличат или намалят риска от заболяване. Например, някои варианти на гени увеличават вероятността от болестта на Алцхаймер, докато други версии на същите гени предпазват от това заболяване.

Създаването на големи бази данни със стотици хиляди декодирани геноми помогна на учените да разберат по-добре естеството на човешкото здраве. Те вече са открили повече от 5000 телесни характеристики, които зависят от малки разлики в структурата на ДНК. Успоредно с това два мащабни проекта – Консорциумът за картографиране на епигеномиката Roadmap и Проектът за енциклопедия на ДНК елементите разкриха как организмът регулира ДНК в различни тъкани и на различни етапи от развитието.

Въпреки това половината от човешките гени почти не се споменават в научните изследвания. Статистиката показва изненадваща пристрастност: 75% от цялата работа е съсредоточена само върху 1/10 от гените, отговорни за производството на протеини. Останалата част от ДНК се оказва много по-трудна за изучаване. Факт е, че един и същ ген може да работи по съвсем различен начин в различните органи. Въпреки че всички клетки в тялото ни съдържат един и същ набор от гени, всеки вид тъкан ги включва и изключва по своя собствена уникална схема. Ето защо от един и същ генетичен „план“ се образуват толкова много различни структури – кости, сърдечен мускул или нервни клетки в мозъка.

Основната стратегия на MorPhiC е да създава така наречените „нулеви“ алели. Всъщност учените ще изключват напълно гените един по един, за да разберат ролята на всеки един от тях.

Клетките, избрани за експериментите са индуцирани плурипотентни стволови клетки. Това са възрастни клетки на кожата или кръвта, които с помощта на специални методи са върнати в „младо“ състояние. Подобно на ембрионалните стволови клетки, те са в състояние да се трансформират във всяка тъкан на тялото.

За изключването на гените ще помогне съвременният инструмент за редактиране на ДНК – системата CRISPR. Екипът е измислил няколко подхода: в някои случаи директно ще променя последователността на ДНК, в други случаи – ще блокира работата на гена, без да засяга структурата му. Всяка промяна ще бъде маркирана със специален молекулярен „баркод“, който ще позволи да се проследи съдбата на променените клетки в хода на експериментите.

Всяка редакция ще бъде последвана от редица тестове, включително секвениране на РНК, протеини и мазнини. Специалистите ще тестват ключови аспекти от живота на клетките: способността им да растат, да се регенерират и да се трансформират в други видове клетки. За контрол на качеството всички центрове ще започнат с редактирането на един и същ набор от ДНК последователности.

В рамките на проекта ще бъдат създадени и три научни центъра за обработка и проверка на получените данни. Те ще разработят единни правила за провеждане на експерименти и анализ на резултатите, така че всички учени да могат да използват тази информация. Специално внимание ще бъде отделено на това как гените си влияят един на друг. Например, когато един ген е нарушен, това може да предизвика верижна реакция от промени в работата на други гени. Такива промени могат да повлияят на много процеси в организма – от усвояването на хранителни вещества до защитата от инфекции.