Генная регуляция: Контроль над клетками для улучшения медицинского лечения
Регуляция генов стала одним из ключевых направлений научных открытий с тех пор, как ученые впервые взломали код ДНК, разгадав замысловатую последовательность молекул, диктующих поведение наших клеток. Но ДНК, хотя и играет ключевую роль, - это лишь половина истории.
Наше тело состоит из множества типов клеток, от кожи до мышц и клеток мозга, и все они содержат одну и ту же ДНК. И все же остается открытым вопрос: как каждая клетка узнает, когда ей становиться клеткой кожи, мышц или мозга?
Сложная схема ДНК
Представьте себе ДНК в виде длинной извилистой лестницы, состоящей из миллиардов крошечных строительных блоков. Она содержит точные инструкции, которые определяют рост, функционирование и восстановление нашего организма. В распутанном виде эта лестница может достигать двух метров в длину - слишком много, чтобы уместиться в крошечных границах клетки.
Хроматин, комплекс ДНК и белков, решает эту проблему, упаковывая ДНК в сжатую, организованную структуру, которая помещается внутри клеточного ядра.
Хроматин функционирует как бусины на нитке, нанизанные и упакованные в хромосомы, что позволяет собирать ДНК на небольшом участке и распаковывать ее всякий раз, когда клетке нужен доступ к генетической информации.
В этом сложном коде ДНК содержатся как кодирующие, так и некодирующие последовательности. Кодирующая ДНК, или гены, содержит инструкции по созданию белков - важнейших клеточных строительных блоков и посредников. Некодирующая ДНК играет ключевую вспомогательную роль, контролируя, когда и как эти гены включаются или выключаются для образования белков.
Роль хроматина в регуляции генов
Организация хроматина имеет решающее значение для процесса регуляции генов. Плотно упакованный хроматин ограничивает доступ к генам, не позволяя им включаться. Напротив, неплотно упакованный хроматин позволяет генам включаться и экспрессироваться.
Хотя все люди наследуют фиксированный набор генов, их экспрессия может сильно варьироваться под влиянием таких факторов, как диета, стресс и воздействие загрязняющих веществ.
Это явление, известное как эпигенетика, контролирует идентичность и функции клеток, определяя их судьбу.
Новые рубежи в исследованиях
Каждые два года Управление по новым рубежам и междисциплинарной деятельности (EFMA) Национального научного фонда США определяет новаторские темы исследований для программы NSF Emerging Frontiers in Research and Innovation (EFRI).
В 2018 и 2019 годах программа EFRI сфокусирована на хроматиновой и эпигенетической инженерии с целью выявления новых способов манипулирования активацией и деактивацией генов.
Работая по четырехлетним грантам, междисциплинарные команды решают сложные, высокорискованные и высокодоходные проекты, направленные на решение самых насущных проблем страны.
Благодаря углублению понимания и разработке инновационных инструментов эти достижения могут помочь в борьбе с болезнями, повышении урожайности или даже в создании организмов, способных устранить вред, наносимый окружающей среде.
Генная регуляция и регенерация тканей
Группа ученых разработала платформу для визуализации генома с высоким разрешением, позволяющую визуализировать хроматин в 3D, что дает возможность более точно предсказывать результаты геномной инженерии.
Это может привести к точному манипулированию генами, что найдет применение в лечении рака, регенерации органов, предотвращении травм и обращении вспять процесса старения.
Разрабатываются лекарства и вмешательства, направленные на клетки, пораженные раком или лишенные кислорода в результате инсультов или инфарктов.
Понимание расположения ДНК
Другая команда обнаружила, что специальный белковый комплекс под названием INO80 является важнейшим движущим фактором перемещения хроматина внутри ядра.
Используя новое устройство, эксперты теперь могут наблюдать за взаимодействием хроматина в живых клетках в режиме реального времени. Это может внести большой вклад в понимание тканей, состоящих из множества различных типов клеток, таких как мозг или иммунная система.
Новаторская доставка генетических данных
Используя принципы, заимствованные из бумажного искусства оригами, группа исследователей добилась значительных успехов в доставке ДНК в клетки с помощью наноструктур.
ДНК можно очень плотно упаковать в эти замысловатые конструкции, что позволяет доставлять в ядро даже самые длинные гены.
Этот метод представляет собой более безопасную и экономически эффективную альтернативу традиционной вирусной генной терапии и открывает перспективы для лечения заболеваний и улучшения визуализации живых клеток.
Новый путь к регуляции генов
Еще один проект использует возможности хроматина и эпигенетической инженерии для борьбы с болезнями.
Исследователи разработали новые технологии редактирования генома, направленные на некодирующие регуляторные участки ДНК, которые включают или выключают гены.
Эти эпигенетические метки могут имитировать изменения, происходящие в ответ на воздействие окружающей среды, что помогает более точно подбирать меры по борьбе с заболеваниями.
Новые поколения ученых
Команды EFRI дают возможность начинающим ученым получить ценный опыт в рамках программ NSF Research Experience and Mentoring.
Эти программы предлагают оплачиваемую исследовательскую практику и наставничество, способствуя многообразию и инклюзивности в области генной и эпигенетической инженерии.
Такие совместные усилия способствуют научному прогрессу и выращиванию новых кадров.
