В Сколтехе завершилась 12-я Московская конференция по вычислительной молекулярной биологии (МССМВ 2025), на которой представили последние результаты в области биоинформатики, системной и структурной биологии, молекулярной эволюции, сравнительной геномики, молекулярной генетики, биофизики, компьютерных наук в биологии и смежных дисциплин.
Конференцию открывал доклад доцента Сколтеха Екатерины Храмеевой, в котором она рассказала, как ее научная группа обнаружила новый механизм подавления работы генов в мозге человека. Результаты ученых открывают возможности для новых видов терапии нейрозаболеваний.
Что такое «упаковка ДНК» и почему ее важно изучать
Геном человека расшифровали больше 20 лет назад. Но помимо этой последовательности важно понимать, как работают регуляторные механизмы генов. В каждой нашей клетке одни и те же хромосомы, но все клетки выглядят и работают по-разному. Именно за эти различия и отвечает упаковка ДНК — это то, как хромосомы уложены в ядре клеток.
От того, как уложены хромосомы, зависит, какие гены в клетке проявляют активность. Например, в клетках печени активны одни гены, а в клетках селезенки другие — поэтому и функционируют они по-разному. Эта система содержит в себе порядка ста тысяч регуляторов. Для получения данных об упаковке ДНК используют экспериментальный метод Hi-C — очень сложный и дорогостоящий. Он основан на секвенировании и позволяет получать данные в виде изображений, на которых яркостью цвета обозначается то, насколько часто две хромосомы контактируют друг с другом в ядре.
Почему сложно работать с образцами мозга
Моя научная группа в Сколтехе занимается изучением того, как ДНК свернута внутри ядра, и особенно мы интересуемся тем, как упаковка ДНК устроена в нейронах — клетках нашего мозга. С нарушениями упаковки ДНК сегодня в основном ассоциируют онкологические заболевания, но это лишь потому, что их больше изучают. Например, наша группа впервые занялась изучением взаимосвязи между упаковкой ДНК и шизофренией. Проблема в том, что работать с образцами мозга очень сложно.
Для качественных исследований упаковки ДНК в клетках мозга нужны так называемые постмортальные образцы ткани — то есть полученные после смерти человека. При этом чем больше проходит времени между смертью и забором ткани, тем сильнее деградируют молекулы ДНК, РНК и белки. Хранить образцы тоже непросто — требуется глубокая заморозка. Особая группа сложностей связана с этическими проблемами: нужно получать согласие родственников умершего, строго соблюдать законодательство в части защиты личной медицинской информации и так далее.
Но здесь нам тоже удалось достичь успехов. В 2021 году моя постдок ездила в Израиль, устанавливала там протокол, как проводить эксперименты с тканями мозга, и у нее все получилось. Затем мы перенесли этот протокол в Россию, в Институт биологии гена. Совместно с научной группой С. В. Разина и С. В. Ульянова мы поставили первый в России подобный эксперимент в 2022 году; в 2024 году вышла научная работа с этими результатами. В ней мы представили Hi-C-карты для клеток мозга человека, причем сделали это отдельно для нейронов и отдельно для глиальных клеток — тех, которые отвечают за поддержание функционирования нейронов.
Как удалось открыть новый механизм подавления работы генов в мозге
Знание о тесной связи между упаковкой ДНК и экспрессией генов позволило нам предположить, что значительные различия в экспрессии генов между нейронами и глиальными клетками будут отражаться и на трехмерной структуре хромосом. Экспериментально подтвердилось, что упаковка ДНК действительно существенно отличается в зависимости от типа клеток.
Даже визуальное сравнение данных эксперимента Hi-C показывает огромные различия между нейронами и глиальными клетками. Анализируя частоту контактов между участками ДНК внутри ядра, мы обнаружили, что в больших ядрах нейронов хромосомы менее плотно упакованы и контактируют значительно реже, чем в небольших ядрах глиальных клеток. Это наблюдение вполне предсказуемо, учитывая больший размер ядер нейронов и увеличенные расстояния между отдельными хромосомами.
Наиболее интригующим открытием оказались специфичные для нейронов дальние взаимодействия, проявляющиеся яркими пятнами на картах Hi-C. Эти области демонстрируют высокую частоту контактов между удаленными регионами хромосом или даже между разными хромосомами. Такие взаимодействия полностью отсутствуют в глиальных клетках.
Мы изучили доступные научные данные о работе генов и связывании белков-регуляторов с ДНК. Мы выяснили, что яркие дальние взаимодействия в нейронах ассоциированы с белками семейства Polycomb, известными своими функциями в подавлении экспрессии генов. Они хорошо изучены в эмбриогенезе, однако их роль в зрелых нейронах оставалась неясной. Наши наблюдения показали, что эти белки активно присутствуют в участках ярких дальних взаимодействий в нейронах.
При дальнейшем анализе выяснилось, что почти 80% генов, расположенных внутри этих областей взаимодействия, являются транскрипционными факторами — специальными белками, управляющими процессом экспрессии генов в организме, причем большинство из них важны исключительно для раннего развития мозга. Поскольку эти гены становятся ненужными в зрелом мозге, они подвергаются сильному подавлению, обеспечиваемому белками Polycomb. Таким образом, открытые нами Polycomb-индуцированные контакты осуществляют подавление работы генов по механизму, специфичному для зрелых нейронов.
Почему для экспериментов не подошли модели нейронов мозга
Я уже упоминала, как сложно работать с постмортальными образцами мозга. Казалось бы, наверняка есть модельные объекты, с помощью которых можно делать все быстрее, проще и дешевле. И действительно, есть модели нейронов — культуры клеток, полученные искусственно из стволовых клеток.
Мы сравнили результаты экспериментов Hi-C в моделях нейронов и постмортальных образцах и пришли к выводу, что обнаруженные Polycomb-индуцированные контакты есть и в моделях нейронов, но они настолько слабы и плохо видны, что мы не сможем дальше использовать эти культуры в своих исследованиях.
Наша группа выпустила подробное сравнительное исследование по этой теме. Если вкратце описать его выводы, то основная проблема заключается в том, что модели нейронов — это не совсем нейроны. Это клетки, которые пошли по пути дифференцировки, но не дошли до взрослых нейронов. Согласно результатам нашего исследования, эти культуры нейронов близки к нейронам из второго триместра беременности по степени сформированности упаковки ДНК.
Тем не менее искусственно выращиваемые нейроны представляют собой чрезвычайно ценный исследовательский инструмент для изучения неврологических расстройств и заболеваний мозга. Например, если известна мутация конкретного гена, приводящего к развитию определенного заболевания, исследователи создают искусственную модель, отключив соответствующий ген в культуре нейронов. Полученная культура рассматривается как экспериментальная модель конкретной болезни.
Наши результаты открывают новые перспективы для совершенствования моделей искусственно выращиваемых нейронов. Если удастся усилить эти Polycomb-индуцированные контакты, можно создать культуры, обладающие свойствами настоящих зрелых нейронов. Предложенное нами направление имеет огромный потенциал для специалистов в области нейробиологии, которые стремятся создать более точные модели патологий центральной нервной системы.
Как открытие может изменить терапию заболеваний
В ближайшее время мы сосредоточимся на изучении различных заболеваний мозга, начиная с экспериментов Hi-C на образцах пациентов с болезнью Альцгеймера. Поскольку данных Hi-C в нейронах при болезни Альцгеймера пока нет, мы планируем самостоятельно провести соответствующие эксперименты. Тем временем параллельно займемся исследованием уже имеющихся наборов данных по другим патологиям мозга.
Наша задача состоит в поиске возможных корреляций между нарушениями в упаковке ДНК и клиническими проявлениями конкретных болезней. Если нам удастся обнаружить значимые взаимосвязи, это откроет перспективу разработки принципиально новых терапевтических подходов. Речь идет о методах восстановления нормального функционирования механизмов, обеспечивающих подавление ненужных генов в нейронах. Такие подходы могут помочь восстановлению нормальной работы пораженных клеток мозга.
