Исследователи из Центра геномной регуляции (CRG) определили последовательность ДНК, которая имеет решающее значение для дифференцировки и функционирования поджелудочной железы, и впервые описали, как она работает.
У пациентов с мутациями в последовательности ДНК, которую они называют EnhP, развиваются пороки развития поджелудочной железы. На сегодняшний день это наиболее яркий пример наследственного заболевания, вызванного мутациями, не нарушающими последовательность ДНК гена.
Заболевания, вызванные мутациями в одной последовательности ДНК, например болезнь Хантингтона или серповидноклеточная анемия, известны как моногенные заболевания. В подавляющем большинстве случаев такие мутации нарушают ген, кодирующий белок. В этом случае мутации в EnhP нарушают работу одного «энхансера», а не одного гена.
Наши геномы содержат сотни тысяч элементов ДНК, которые, как считается, действуют как энхансеры. Эти энхансерные последовательности ДНК действуют как переключатели, включающие транскрипцию генов-мишеней в нужных тканях.
По мнению авторов исследования, опубликованного сегодня в журнале Developmental Cell , EnhP ни в коем случае не является единственным дефектом энхансера, вызывающим заболевание. Мутации в энхансерах могут быть причиной моногенного заболевания у многих пациентов, у которых лабораторные тесты не выявили причинных генных мутаций.
Понимание роли энхансеров в заболевании может изменить то, как мы практикуем медицину. «Клиническая генетика смещает акцент с секвенирования генов , кодирующих белки , на секвенирование целых геномов. В настоящее время теоретически возможно обнаружить мутации, вызывающие болезни, которые лежат за пределами традиционных областей генома, хотя все еще сложно определить, какие части геном действительно уязвим для мутаций», — объясняет доктор Хорхе Феррер, старший автор исследования, координатор сквозной программы медицинской геномики в CRG и руководитель группы в CIBERDEM.
Исследователи ранее обнаружили EnhP при изучении нарушений развития в десяти разных семьях. В сотрудничестве с группой в Эксетере, Соединенное Королевство, они обнаружили, что мутации в энхансере были наиболее частой причиной агенеза поджелудочной железы, редкого врожденного заболевания, вызывающего потерю ткани поджелудочной железы и неонатальный диабет.
В этом исследовании ученые развили свою предыдущую работу, чтобы объяснить, почему этот конкретный энхансер уязвим для болезнетворных мутаций. Используя CRISPR, команда создала генетически модифицированные модели мышей для изучения эффектов энхансера. Мыши, лишенные обеих копий EnhP, рождались с сильно недоразвитой поджелудочной железой и диабетом с дефицитом инсулина. Они также изучали человеческие стволовые клетки in vitro.
Они показывают, что EnhP работает за счет увеличения скорости транскрипции близлежащего гена, известного как транскрипционный фактор 1a, ассоциированный с поджелудочной железой (PTF1A). В частности, исследование показало, что единственная роль EnhP заключается в активации целого кластера энхансеров, которые также регулируют PTF1A в самых первых клетках, формирующих поджелудочную железу во время внутриутробного развития. Когда эти другие энхансеры активируются и включается транскрипция PTF1A, это запускает каскад молекулярных событий, которые приводят к образованию нормальных клеток поджелудочной железы.
«Мы показываем, что энхансеры действуют иерархически, и этот находится прямо на вершине», — говорит доктор Феррер. Это новая концепция, и она решает парадокс того, как мутации в одном энхансере могут быть катастрофическими, несмотря на существование несколько других энхансеров, регулирующих один и тот же ген. Речь идет не только об этом конкретном энхансере или заболевании, возможно, существует много других энхансеров с этой конкретной функцией в геноме человека . Их обнаружение поможет нам понять, какие энхансеры уязвимы для мутаций , вызывающих различные другие моногенные заболевания».
Открытие также имеет последствия для усилий по созданию бета-клеток , продуцирующих инсулин, в лабораторных условиях. Трансплантация клеток является возможным вариантом для пациентов с диабетом , но спрос на функциональные клетки от мертвых доноров намного превышает предложение.
Выращивание бета-клеток в культуре могло бы стать одним из способов решения этой проблемы, но они редко обладают теми же функциональными особенностями, что и нормальные бета-клетки человека. Отчасти это связано с тем, что мы не знаем механизмов, необходимых для правильной дифференциации.
«EnhP запускает молекулярную программу, необходимую для правильного формирования бета-клеток человека. Эти знания можно использовать для улучшения лабораторных условий для создания бета-клеток», — заключает доктор Феррер.
