Калифорнийские учёные представили новую технологию расшифровки так называемой эпигенетической информации — «скрытого слоя» наследственности. Эти данные, которые не определяются традиционными методиками, однако оказывают очень существенное влияние на то, как записанные в геноме инструкции будут реализованы.

Для формирования «клубка» хроматина, столь трудно поддающегося расшифровке, основные аминокислоты белков гистонов взаимодействуют с кислотными фосфатными группами ДНК (иллюстрация Wikimedia commons)

Небольшой экскурс в историю: наука эпигенетика начала активно развиваться в конце XX века, когда учёные пришли к пониманию того, что наследственная информация заложена не только в самой последовательности ДНК, но и в определённых модификациях отдельных кодирующих «букв алфавита» – нуклеотидов.

Так, например, простое добавление метильной группы (CH3) часто приводит к инактивации модифицированного участка ДНК. Проблема до сих пор была в отсутствии у исследователей хоть сколько-нибудь потокового метода работы с эпигеномом – модифицированные нуклеотиды искали практически «с лупой».

Следует заметить, что пока исследователи смогли приспособить метод для опознания далеко не для всех типов метилирования (иллюстрация Pacific Biosciences).

Широко распространённая технология поиска метильных групп заключается в следующем: образцы ДНК химически модифицируют так, что неметилированные нуклеотиды (даже более конкретно – цитозин) превращаются в другой тип нуклеотидов – урацил (в РНК он заменяет тимин).

В норме ДНК не содержит урацил вовсе, потому после определения последовательности специалисты могут узнать, какие цитозины содержат метильную группу. У этого способа есть масса существенных недостатков, главный из которых, разумеется, чрезмерная трата как ресурсов, так и просто времени.

Также подобная модификация генома не позволяет находить метилированные аденины (очень распространённые, например, у бактерий), не говоря уже о том, что химическая обработка повреждает ДНК и тем самым априори снижает точность итоговой расшифровки.

Все перечисленные факторы подтолкнули авторов новой работы — исследователей из компании Pacific Biosciences — к принципиально иной методике поиска эпигенетических модификаций, основанной на использовании флуоресцентных меток.

Необычная изогнутость хвоста у этих мышей напрямую зависит от эпигенетических факторов – метилирования ДНК (фото Emma Whitelaw, University of Sydney).

Суть так называемой SMRT-технологии (SMRT sequencing) в следующем: в ходе определения последовательности фермент ДНК-полимераза выстраивает копию изучаемой цепи ДНК из нуклеотидов, находящихся в реакционной смеси. К ним присоединены флуоресцентные маркеры.

Каждый из четырёх нуклеотидов, входящих в состав ДНК (известный всем «тетраграмматон» аденин-цитозин-гуанин-тимин), светится собственным уникальным цветом, поэтому для специалистов не составит особого труда определить при помощи специального сканера последовательность новосозданной нити ДНК.

Наличие метилированных нуклеотидов в SMRT-методе распознают по изменению времени следующей вспышки – это означает, что фермент включил в цепь очередной нуклеотид. Новая технология позволяет очень быстро определять местонахождение метильной группы.

Теперь ложка дёгтя: SMRT-технология не позволяет определять наличие метилирования на отрезках ДНК большой длины – лучше всего она работает для фрагментов длиной в тысячу нуклеотидов или меньше.

А ведь для того чтобы получить полногеномную карту метилирования, в качестве «сырья» необходимо использовать отрезки ДНК длиной от 8–10 тысяч нуклеотидов как минимум. Пока у специалистов нет ответа на вопрос, как они собираются справиться с этой проблемой, – она просто напряжённо решается, методом проб и ошибок.

Авторы опубликованной в феврале в Nature статьи, к примеру, предлагали отслеживать эпигенетические изменения про хроматиновым «волокнам», отмеченным на рисунке красным цветом (иллюстрация M. Green & S. Forsburg, University Southern California).

Однако представители Pacific Biosciences полны оптимизма и планируют начать выпуск приборов, определяющих последовательность ДНК при помощи SMRT-метода, уже в этом году, а в 2011-м – запустить линейку устройств, которые могут определять наличие метильных групп.

Тема, которой занимаются калифорнийские генетики, весьма неоднозначна и потенциально таит в себе много возможностей. Изменение надгеномных модификаций может иметь значение для протекания многих важных процессов в организме (и при развитии рака в том числе).

Также известно, что эпигенетические изменения затрагивают белки, связанные с нуклеиновыми кислотами. Видеопрезентацию новой методики можно уже сейчас посмотреть на сайте Pacific Biosciences.