Ученые узнали, как клетки «решают», стать им нейронами или мышцами
Одна из фундаментальных загадок биологии — как стволовая клетка «решает», какой ей стать: мышечной, нервной или какой-то еще. Ответ на этот вопрос нашли в швейцарском Базеле.
Каждая клетка в организме содержит одну и ту же ДНК, но разные типы клеток — такие как мышечные или нервные — используют различные ее участки. Факторы транскрипции помогают клеткам активировать определенные гены, считывая определенные последовательности ДНК. Последовательности эти повторяются по всему геному, и потому оставалось неясным, как факторы точно определяют, где именно им следует связываться.
В Институте биомедицинских исследований Фридриха Мишера, ведущем мировым центре в области эпигенетики и регуляции генома, изучили два близкородственных фактора транскрипции — NGN2 и MyoD1, — in vitro и in vivo (на мышах), результатом чего поделились на страницах Molecular Cell. Исследователи поочередно включали эти факторы транскрипции и наблюдали, где те присоединяются к ДНК, как влияют на экспрессию генов — и как в конечном счете направляют стволовые клетки по пути становления нейронами и мышечными клетками.
Оказалось, что связывание факторов транскрипции с молекулой ДНК зависит не только от последовательности ДНК, но и от того, насколько ДНК открыта, и от присутствующих белков-партнеров. Иногда факторы транскрипции действуют как «факторы-первопроходцы» и способны раскрывать плотно упакованную ДНК в определенных местах, чтобы включить гены. Небольшие изменения в ДНК — иногда всего одна «буква» — и белки, с которыми эти факторы взаимодействуют, могут влиять на то, будут ли гены активированы.
Затем команда обучила модель машинного обучения распознавать закономерности в связывании факторов транскрипции. Используя эту модель, они расшифровали «язык ДНК», который предсказывает, где и как эти факторы связываются. Модель точно предсказывала результаты в различных типах клеток, что помогло объяснить, как сходные факторы транскрипции могут запускать различные пути развития.
Полученные данные не только углубляют понимание, как факторы транскрипции определяют судьбу клетки, но и предлагают мощные инструменты для предсказания и, возможно, управления этими процессами в развитии и при заболеваниях.
