В исследовании, опубликованном 28 августа в журнале Nature, сравнивается, как «считывается» информация, закодированная в геномах трех видов, и как их ДНК и белки организованы в хромосомы.Результаты добавляют миллиарды записей в общедоступный архив функциональных геномных данных. Ученые могут использовать этот ресурс, чтобы обнаружить общие черты, применимые ко всем организмам. Эти фундаментальные принципы, вероятно, позволят понять, как информация в геноме человека регулирует развитие и как она отвечает за болезни.
Анализы проводились двумя консорциумами ученых, включая исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab). Оба проекта финансировались Национальным научно-исследовательским институтом генома человека при Национальном институте здравоохранения.
Один из консорциумов, проект «Энциклопедия модельных организмов элементов ДНК» (modENCODE), каталогизировал функциональные геномные элементы у плодовой мухи и аскариды. Сьюзан Селникер и Гэри Карпен из отдела наук о жизни лаборатории Беркли возглавляли две исследовательские группы по плодовым мухам в этом консорциуме. Бен Браун, также с Отделом наук о жизни, участвовал в другом консорциуме, ENCODE, для определения функциональных элементов в геноме человека.
Консорциумы решают один из важнейших вопросов современной биологии: теперь, когда геном человека и многие другие геномы секвенированы, как информация, закодированная в геноме организма, делает организм таким, какой он есть? Чтобы выяснить это, ученые в течение последних нескольких лет изучали геномы модельных организмов, таких как плодовая мушка и аскарида, которые меньше нашего генома, но имеют много генов и биологических путей, общих с людьми.
Это исследование привело к лучшему пониманию функции генов человека, развития и болезней.Сравнение транскриптомовВо всех организмах информация, закодированная в геномах, транскрибируется в молекулы РНК, которые либо транслируются в белки, либо используются для выполнения функций в клетке. Набор молекул РНК, экспрессируемых в клетке, известен как ее транскриптом, который можно рассматривать как «считывание» генома.
В объявленном сегодня исследовании десятки ученых из нескольких учреждений искали сходства и различия в транскриптомах человека, аскариды и плодовой мухи. Они использовали технологию глубокого секвенирования и биоинформатику для получения больших объемов данных согласованного секвенирования РНК для трех видов.
Это включало 575 экспериментов, в которых было произведено более 67 миллиардов считываний последовательностей.Команда под руководством Сельникера с помощью Брауна и ученых из нескольких других лабораторий провела часть этого исследования, посвященную плодовой мушке. Они нанесли на карту транскриптом организма в 30 временных точках его развития.
Они также исследовали, как экологические нарушения, такие как тяжелые металлы, гербициды, кофеин, алкоголь и температура, влияют на транскриптом мухи. Результатом стал самый точный анализ с временным разрешением «считанных» геномов мух на сегодняшний день и множество новых данных.
«Мы перешли с двух миллиардов прочтений в исследованиях, опубликованных в 2011 году, до 20 миллиардов прочтений сегодня», — говорит Сельникер. «В результате мы обнаружили, что транскриптом намного более обширный и сложный, чем считалось ранее. Он имеет больше длинных некодирующих РНК и больше промоторов».Когда ученые сравнили данные транскриптомов всех трех видов, они обнаружили 16 модулей экспрессии генов, соответствующих таким процессам, как транскрипция и деление клеток, которые сохраняются у трех животных.
Они также обнаружили сходный паттерн экспрессии генов на ранней стадии эмбрионального развития у всех трех организмов.Эта работа описана в статье Nature, озаглавленной «Сравнительный анализ транскриптома у далеких видов».Сравнение хроматинаДругая группа, также состоящая из десятков ученых из нескольких учреждений, проанализировала хроматин, который представляет собой комбинацию ДНК и белков, которые организуют геном организма в хромосомы.
Хроматин влияет почти на все аспекты функции генома.Карпен руководил частью этой работы, связанной с плодовой мушкой, Питер Парк из Гарвардской медицинской школы внес свой вклад в биоинформатику, а также участвовали ученые из нескольких других лабораторий. Команда составила карту распределения белков хроматина в геноме плодовой мушки.
Они также узнали, как химические модификации белков хроматина влияют на функции генома.Их результаты сравнивали с результатами исследования хроматина человека и аскариды. В целом, группа сгенерировала 800 новых наборов данных по хроматину из различных клеточных линий и стадий развития трех видов, в результате чего общее количество наборов данных превысило 1400.
Эти наборы данных представлены в статье Nature под названием «Сравнительный анализ организации хроматина многоклеточных животных». "И здесь ученые снова обнаружили множество сохранившихся характеристик хроматина у трех организмов. Они также обнаружили значительные различия, например, в составе и расположении репрессивного хроматина.
Но, возможно, самый большой научный дивиденд — это сами данные.«Мы обнаружили много идей, которые требуют дальнейшего развития», — говорит Карпен. «И мы также значительно увеличили объем данных, к которым могут получить доступ другие.
Эти наборы данных и анализы предоставят богатый ресурс для сравнительных и видоспецифических исследований того, как функционируют геномы, включая геном человека».