Международная группа ученых составила карту взаимодействий генов пекарских дрожжей (Saccharomyces cerevisiae). Результаты работы опубликованы в журнале Science.

Современные методики секвенирования ДНК дают подробную информацию о генах и их вариациях. Однако возможность интерпретировать эту информацию ограничена, во многом из-за масштабной буферизации генома (наличия многих генов, выполняющих схожие функции), которая делает многие гены эукариот необязательными для жизнедеятельности. Поэтому для понимания функций генов важно знать не только их структуру, но и взаимодействия между ними.

Коммутационная схема генетических взаимодействий S. cerevisiae. Michael Costanzo et al, Science, 2016

Сотрудники Университета Торонто с коллегами из США, Германии, Японии, Великобритании, Сербии и Китая использовали синтетические генетические матрицы, позволяющие изучать взаимодействия отдельных пар генов, поочередно проверяя здоровье и жизнеспособность штаммов с сочетаниями различных мутаций (если одновременные мутации двух генов влияют на жизнедеятельность, а по отдельности не имеют очевидного эффекта, значит, эти гены взаимодействуют). С их помощью ученые проанализировали совместную работу почти всех из примерно 6000 генов дрожжей, для чего за 15 лет работы им пришлось создать более 23 миллионов двойных мутантов.

Исследователям удалось выявить около миллиона генетических взаимодействий, охватывающих до 90 процентов всего дрожжевого генома. Примерно 550 тысяч из них были негативными, то есть приводящими к нарушениям жизнедеятельности или гибели клетки, а около 350 тысяч — позитивными (полезными). Узлами сети этих взаимодействий предсказуемо оказались эссенциальные гены, без которых организм жить не может (у дрожжей их около тысячи) — у них наблюдалось впятеро больше взаимодействий, чем у остальных генов.

Негативные взаимодействия преимущественно связывали гены со схожими функциями, относились к ключевым клеточным процессам и выявляли плейотропные (имеющие множественное действие) гены, а позитивные чаще представляли собой регуляторные, а не функциональные связи между генами.

На основании полученных данных ученые построили несколько типов карт взаимодействий генов, отражающих их отношение к конкретным биологическим процессам, работе отдельных органелл и биохимическим путям клетки, а также иерархию генов и количественную характеристику их плейотропности.

Участки карты, соответствующие клеточным структурам. Michael Costanzo et al, Science, 2016

Участки карты, соответствующие клеточным процессам. Michael Costanzo et al, Science, 2016

Участки карты, соответствующие биохимическим путям. Michael Costanzo et al, Science, 2016

Как отмечают исследователи, глобальная сеть генетических взаимодействий позволяет понять функциональную организацию клетки и предсказывать функции генов и биохимических путей.

«Мы предполагаем, что упорядоченная топология глобальной генетической сети… найдет применение в расшифровке взаимосвязей генотипа и фенотипа», — пишут авторы работы.

По их мнению, созданная карта взаимодействий генов дрожжей окажется полезной при построении соответствующей карты для человека, поскольку многие гены у нас общие.

Пекарские дрожжи — популярный организм для генетических исследований в силу быстрого роста и относительно небольшого для эукариот размера генома, который легко поддается трансформации. В 1996 году S. cerevisiae стал первым эукариотическим организмом, у которого полностью расшифровали геном. Эволюция ДНК дрожжей также неоднократно привлекала внимание исследователей. Кроме того, их активно используют для изучения процессов мейоза, клеточного старения, рекомбинации и восстановления ДНК.

Автор: Олег Лищук