В статье, опубликованной в журнале Applied Physics Reviews, исследователи продемонстрировали новую модель для определения ключевых факторов наших циркадных ритмов: часовых генов. Этот подход позволяет ученым точно определять сложные связи в этих генах, которые отвечают за то, как растения, животные и люди биологически взаимодействуют со временем.
«Основываясь на этих связях, мы можем определить четкую схему того, как они взаимодействуют с другими генами», — пояснил Ронглинг Ву, старший автор исследования. Ву является директором Центра статистической генетики на факультетах общественного здравоохранения и статистики Университета штата Пенсильвании.
Эта модель (работающая в связке с программным обеспечением) по сути является инструментом, способным обрабатывать огромные объемы генетической информации. В будущем это может позволить редактировать гены и создавать лекарства с широким применением — от препаратов, способных помочь совам стать жаворонками, до радикального увеличения урожайности определенных культур.
Фото: Unsplash
Все живые существа, включая людей, следуют своего рода биологическому расписанию, которое определяется нашими генами и их реакцией на окружающую среду. У большинства этот цикл длится около 24 часов (цикл прибрежных морских млекопитающих равен 12 часам).
Люди работают в соответствии с 24-часовым циклом или циркадным ритмом. Вот почему мы ложимся спать с наступлением темноты и пробуждаемся с восходом солнца. Наш режим зависит от сложной цепочки процессов, которые берут начало в нашей ДНК и отвечают за замедление нашего сердечного ритма, выработку мелатонина и падение артериального давления в определенное время.
Выявлять конкретные гены, их вариации и принципы взаимодействия друг с другом довольно сложно. Но у этих исследований большой потенциал.
Например, если ученые сумеют определить набор генов, из-за которых стебель пшеницы прекращает расти, это позволит им создать суперпродукт, который никогда не засохнет.
«Время имеет огромное значение в биологии», — говорит Ву.
Как это работает
Подход, который предлагает исследовательская группа, заключается в сборе генетических данных и загрузке их в соответствующее ПО.
Сложная статистическая модель обрабатывает информацию и идентифицирует генные связи, ответственные за определенные признаки, например кровяное давление.
Модель основана на теориях генетического картирования и ассоциативных исследованиях, которые могут идентифицировать генетические аллели, влияющие на функции тела или растения. В данном случае это гены, связанные с циркадными ритмами. Они известны как «часовые локусы количественных характеристик».
Часовые гены — это не просто один фрагмент ДНК. Они могут представлять собой множество различных комбинаций последовательностей, которые влияют на различные процессы циркадного цикла. Они не работают изолированно: определенные биологические цепочки передают им сигналы окружающей среды. Далее они посылают сигнал телу выполнять конкретную задачу — например, производить белок.
Картирование с помощью статистического анализа могло бы выявить наиболее важные генетические маркеры циркадных процессов или, по крайней мере, определить конкретные участки в генетической последовательности для изучения.
«Разработанные нами методы позволят получить полную картину всех возможных генов, — заметил Ву. — Мы предлагаем готовый подход для идентификации часовых генов».
Что инновационного в этом открытии
Раньше объектом исследования были генетические мутации, влияющие на циркадный ритм.
Даже несмотря на то, что у ряда видов (дрозофил, цианобактерий, мышей) удалось успешно определить часовые гены, такой подход, по мнению Ву, довольно ограничен. Эти исследования позволяют выделить только те мутации, которые отвечают за изменение циркадной регуляции в конкретном геноме.
Новая модель работает в обратном направлении. Например, вместо того, чтобы изменять ген мыши и смотреть, как он влияет на животное в реальной жизни, она может анализировать черты семейства мышей и отображать группы генов, которые потенциально отвечают за эти признаки.
Новый инструмент (который все еще находится на стадии разработки) также может использоваться для определения работы генов у разных видов и даже в разных тканях одного организма. Это новое достижение позволит ученым более точно выделять гены с разными функциями.
Почему это важно
Такой подход позволит изолировать генетические сети, ответственные за настройку наших циркадных циклов.
Ву считает, что после завершения данных исследований можно будет создавать препараты, «включающие» определенные признаки.
«Например, я жаворонок, но мне нужно работать ночью. Таким образом я смогу принять препарат, который "активирует" режим совы, — говорит он. — Это позволит стать более активным и продолжать работать по ночам».
Такой подход также можно применять и к растениям.
«Допустим, мы хотим получить определенный урожай помидоров, — продолжает Ву. — В этом случае мы можем активировать часовой ген, который связан с цветением и репродуктивным процессом».
Ву утверждает, что потенциал этого инструмента огромен. Его можно использовать для лечения людей с нарушениями циркадных циклов или даже для создания лекарства от джетлага.
Дальнейшие планы
Ву уже поделился своим ПО, производящим сложные вычисления, с другими исследователями. Например, его студенты обработали генетические данные морских креветок с помощью статистической модели для других ученых.
«Я ничего не знал о генетике креветок и их часовых генах, коллеги просто предоставили мне данные, — говорит он. — Когда я отправил результаты обратно, они были весьма рады и сказали, что это именно то, чего они ожидали».
Ву доволен, что в слепом тесте результаты совпали с уже известными. Дальше он планирует адаптировать ПО для других пользователей, чтобы сообщество исследователей могли самостоятельно изучать часовые гены.
Фото на обложке: Unsplash
