Какие компоненты входят в систему транскрипционной регуляции? Какие процессы отвечают за репрограммирование клеток? И что ученым известно о схеме транскрипционной регуляции в клетках? Об этом рассказывает профессор биологии Массачусетского технологического института Ричард Янг.

Система транскрипционной регуляции состоит из ДНК, генома и компонентов, ответственных за производство рабочей копии генома в виде РНК для каждого из 24 000 белок-кодирующих генов. То есть система транскрипционной регуляции — это геном, структуры, ответственные за получение его копий в виде РНК, и механизм их работы в масштабе всего генома. Предпосылкой к этим исследованиям стала долгая история изучения процессов контроля генов у бактерий и других маленьких экспериментальных систем. В ходе исследования мы поняли, как особые белки, называемые факторами транскрипции, связываются со специальными участками генома и начинают процесс считывания гена. Фактически они связываются с аппаратом транскрипции (то есть с РНК-полимеразой и ее кофакторами) и создают рабочую копию этого участка ДНК в форме РНК, которая затем транслируется в белок.

Существует небольшой набор универсальных факторов транскрипции, присутствующих в каждом типе клеток. Всего их три или четыре, они вырабатываются в избытке и участвуют в регуляции примерно половины из 50 000 генов. Но различным типам клеток соответствуют различные наборы факторов транскрипции. Эти транскрипционные факторы настолько мощные, что если мы будем производить их в группе, скажем, фибробластов, то это может привести к репрограммированию их в другой тип клеток. Этот процесс репрограммирования, который описал Синъя Яманака, будет весьма ценным для регенеративной медицины. Мы узнали, какие вещества являются факторами транскрипции для около двадцати типов клеток, и наша цель — узнать, каковы они во всех значимых для медицины типах клеток. В будущем мы также собираемся попытаться генерировать клетки этих типов. Таким образом, в регенеративной медицине у нас будет возможность взять клетки кожи пациента, взять транскрипционные факторы от, например, клетки сердца, кардиомиоцита, ввести их в эти фибробласты и получить кардиомиоциты — это будут персонализированные клетки для лечения повреждений сердца данного человека.

Мы пытаемся понять, как именно ДНК образует петли от участка связывания транскрипционного фактора с энхансером до конкретного гена. Чтобы сделать это, нам необходимо применять технологии, позволяющие определять такие петлеобразные структуры ДНК. Эти технологии включают анализ ДНК-ДНК взаимодействия. Например, существует так называемый метод ChIA-PET. В результате мы можем узнать, с каким геном взаимодействует какой энхансер, и построить модель общей экспрессии генов всей клетки на основе этой информации. Основываясь на этом, мы надеемся понять, как контроль экспрессии генов на уровне всего генома связан со структурой каждой хромосомы и, следовательно, как эта структура определяется клеточной программой экспрессии генов. В будущем мы хотели бы понять, как устроена схема транскрипционной регуляции во всех или, по крайней мере, во всех медицински значимых клетках. Исследование этой схемы приведет нас к лучшему пониманию процессов, вызывающих болезни. Часть сложности этой проблемы связана с тем, что человек состоит из тридцати триллионов клеток. Эти тридцать триллионов клеток делятся на сотни типов. Мы бы хотели понимать схему регуляции в каждом из них.