Ученые раскрывает генетические переключатели, которые контролируют процесс регенерации всего тела
Когда дело доходит до регенерации, некоторые животные способны на удивительные подвиги — если вы отрежете ногу саламандре, она отрастет. Когда им угрожают, некоторые гекконы отвлекают их, чтобы отвлечься, и вырастить их позже.
Другие животные продвигают этот процесс еще дальше. Планарные черви, медузы и морские анемоны могут на самом деле восстанавливать все свое тело после разрезания пополам.
Команда исследователей во главе с доцентом кафедры органической и эволюционной биологии Манси Шриваставой проливает новый свет на то, как животные совершают этот подвиг, и обнаружила ряд переключателей ДНК, которые, по-видимому, контролируют гены для регенерации всего тела . Исследование описано в статье 15 марта в Science .
Используя трехполосных пантерных червей для проверки этого процесса, Шривастава и Эндрю Герке, научный сотрудник, работающий в ее лаборатории, обнаружили, что секция некодирующей ДНК контролирует активацию «главного управляющего гена», называемого ранней реакцией роста, или EGR. После активации EGR контролирует ряд других процессов, включая или выключая другие гены.
«Мы обнаружили, что этот главный ген включается … и это активирует гены, которые включаются во время регенерации», — сказал Герке. «По сути, то, что происходит, — это то, что некодирующие регионы сообщают кодирующим областям о включении или выключении, поэтому хороший способ думать об этом, как если бы они были переключателями».
По словам Герке, для того, чтобы этот процесс заработал, ДНК в клетках червей, которая обычно плотно сложена и уплотнена, должна измениться, что сделает новые области доступными для активации.
«Многие из этих очень плотно упакованных частей генома фактически становятся более открытыми, потому что там есть регуляторные переключатели, которые должны включать или выключать гены», — сказал он. «Таким образом, одним из важных выводов в этой статье является то, что геном очень динамичен и действительно изменяется во время регенерации, поскольку разные части открываются и закрываются».
Но прежде чем Герке и Шривастава смогли понять динамическую природу генома червя, им пришлось собрать его последовательность, а не просто подвиг сам по себе.
«Это большая часть этой статьи — мы выпускаем геном этого вида, который важен, потому что он первый из этого типа», — сказал Шривастава. «До сих пор не было полной последовательности генома».
И это также примечательно, сказала она, потому что трехполосный пантерный червь представляет новую модель системы для изучения регенерации.
«Предыдущая работа над другими видами помогла нам многое узнать о регенерации», — сказала она. «Но есть несколько причин для работы с этими новыми червями, одна из которых заключается в том, что они занимают важную филогенетическую позицию, поэтому то, как они связаны с другими животными … позволяет нам делать заявления об эволюции».
«Другая причина в том, что они действительно замечательные лабораторные крысы», — продолжила она. «Я собирал их в полевых условиях на Бермудских островах несколько лет назад во время моего постдока, и с тех пор, как мы привели их в лабораторию, они поддаются гораздо большему количеству инструментов, чем некоторые другие системы».
И хотя эти инструменты могут продемонстрировать динамическую природу генома во время регенерации — Герке удалось идентифицировать целых 18 000 областей, которые меняются, — важно то, что она сказала, как много смысла он смог извлечь из их изучения.
Результаты, по ее словам, показывают, что EGR действует как выключатель питания для регенерации — после его включения могут происходить другие процессы, но без него ничего не происходит.
«Нам удалось снизить активность этого гена, и мы обнаружили, что если у вас нет Egr, ничего не происходит», — сказал Шривастава. «Животные просто не могут регенерировать. Все эти нижестоящие гены не включаются, поэтому другие переключатели не работают, и весь дом гаснет, в основном».
Хотя исследование раскрывает новую информацию о том, как этот процесс работает у червей, оно также может помочь объяснить, почему он не работает у людей.
«Оказывается, что Egr, мастер-ген и другие гены, которые включаются и выключаются вниз по течению, присутствуют у других видов, включая людей», — сказал Герке.
«Причина, по которой мы назвали этот ген у червей Egr, заключается в том, что когда вы смотрите на его последовательность, он похож на ген, который уже был изучен на людях и других животных», — сказал Шривастава. «Если у вас есть человеческие клетки в блюде и вы их подвергаете стрессу, будь то механически или вы кладете на них токсины, они сразу же высвободят Egr.
«Но вопрос в том, что если люди могут включить Egr, и не только включить его, но сделать это, когда наши клетки повреждены, почему мы не можем регенерировать?» Шривастава сказал. «Ответ может быть таким: если EGR — это выключатель питания, мы думаем, что проводка другая. То, о чем говорит EGR в человеческих клетках, может отличаться от того, о чем оно говорит в черве с тремя полосами, и что сделал Эндрю». В этом исследовании мы нашли способ добраться до этой проводки. Поэтому мы хотим выяснить, каковы эти связи, а затем применить это к другим животным, включая позвоночных, которые могут только более ограниченно восстанавливаться ».
В дальнейшем, по словам Шриваставы и Герке, они надеются выяснить, совпадают ли генетические переключатели, активированные во время регенерации, с теми, которые используются во время разработки, и продолжить работу, чтобы лучше понять динамическую природу генома.
«Теперь, когда мы знаем, что представляют собой переключатели для регенерации, мы смотрим на переключатели, участвующие в разработке, и являются ли они одинаковыми», — сказал Шривастава. «Вы просто делаете разработку заново, или это другой процесс?»
Команда также работает над пониманием точных способов, которыми EGR и другие гены активируют процесс регенерации, как для пантеровых червей с тремя полосами, так и для других видов.
В конце, по словам Шриваставы и Герке, исследование подчеркивает ценность не только понимания генома, но и понимания всего генома — некодирующих, а также кодирующих частей.
«Только около двух процентов генома производят такие вещи, как белки», — сказал Герке. «Мы хотели знать: что делают остальные 98 процентов генома во время регенерации всего тела? Люди давно знают, что многие изменения ДНК, вызывающие заболевание, происходят в некодирующих областях … но это недооценивают для процесс, как регенерация всего тела.
«Я думаю, что мы только что поцарапали поверхность», продолжил он. «Мы рассмотрели некоторые из этих переключателей, но есть целый другой аспект того, как геном взаимодействует в более широком масштабе, а не только то, как кусочки открываются и закрываются, и все это важно для включения и выключения генов, поэтому Я думаю, что есть несколько уровней этого регулирующего характера «.
«Это очень естественный вопрос — взглянуть на мир природы и подумать, может ли геккон сделать это, почему я не могу», — сказал Шривастава. «Есть много видов, которые могут регенерировать, и другие, которые не могут регенерировать, но получается, если вы сравните геномы всех животных, большинство генов, которые у нас есть, также находятся в трех полосчатом пантерном черве … поэтому мы думаем, что некоторые из этих ответов, вероятно, будут исходить не от того , присутствуют ли определенные гены , а от того, как они связаны или связаны вместе, и этот ответ может исходить только от некодирующей части генома ».
