Работа сердца регулируется на генном уровне

Создан атлас транскрибируемых регуляторных элементов в различных отделах сердца человека. Авторы исследования показали, как изменяется транскрипция регуляторных элементов при сердечной недостаточности, в том числе вызванной генетическими причинами.

Credit:
123rf.com

Эмбриональное развитие сердца, его работа и гомеостаз — сложнейшие процессы, требующие тонкой регуляции генов. Ее нарушением сопровождаются врожденные пороки развития и сердечно-сосудистые заболевания, в том числе наследственные. Ученые из Северо-Западного университета (США), Центр интегративных медицинских наук RIKEN (Япония), Казанского федерального университета, Института белка в Пущино (Россия), Университета Ла Верна (США) и других научных центров провели огромную работу по идентификации транскрибируемых регуляторных элементов (TRE) в тканях сердца человека. Они обнаружили изменения экспрессии, связанные с заболеваниями, и также показали, что TRE обогащены однонуклеотидными полиморфизмами (SNP), ассоциированными с заболеваниями сердца. Очевидно, такие SNP влияют на связывание факторов транскрипции.

Регуляторные элементы можно разделить на три класса, отмечается в комментарии журнала Nature Cardiovascular Research, где опубликована статья: промоторы, с которых инициируется и модулируется транскрипция генов, энхансеры, управляющие активностью промоторов, а также элементы, влияющие на конформацию хроматина. Функционирование регуляторных элементов, в свою очередь, зависит от эпигенетических факторов, таких как метилирование ДНК и модификации гистонов. Регуляторных элементов в геноме человека сотни тысяч. Их идентификация и исследование стали возможными благодаря современным подходам молекулярной биологии и биоинформатики. Это прежде всего подходы, основанные на высокопроизводительном секвенировании, которые позволяют изучать доступность хроматина, связывание транскрипционных факторов и т.п.

Мы не раз писали о проекте по функциональной аннотации геномов млекопитающих ( FANTOM — Functional Annotation of the Mammalian Genome). Проект использует технологию CAGE (кэп-анализ экспрессии генов): c помощью так называемой 5’-кэп-ловушки получают 5’-участки всех транскриптов, которые затем секвенируют без амплификации и картируют на геном. Таким образом, создается полная количественная картина транскрипции. (О CAGE нам еще в 2018 году рассказывал Олег Гусев, один из ключевых соавторов статьи о регуляторных элементах сердца.) Метод позволяет изучать и активность энхансеров. Известно, что многие, если не все энхансеры транскрибируются, причем двунаправленно — в обе стороны по обеим нитям ДНК, и уровень энхансерной РНК положительно коррелирует с активностью.

С помощью CAGE авторы новой работы исследовали сердца 21 здорового человека (донорские сердца, отторгнутые при трансплантации) и 10 — страдающих ишемической и неишемической кардиомиопатией (после операции по трансплантации). Образцы брали из всех четырех сердечных камер. В общей сложности идентифицировали 17 668 промоторов и 14 920 энхансеров, ассоциированных с экспрессией 14 519 генов. Эти цифры ниже, чем полученные в других работах, где картировали регуляторные элементы в здоровых и больных сердцах, исследуя метилирование CpG, доступность хроматина или модификации гистонов. Однако в данном исследовании транскрипция элементов и их активность оценена количественно.

Идентифицированы в том числе сотни ранее неизвестных промоторов и энхансеров. Кроме того, для сотен энхансеров и промоторов обнаружены различия в транскрипции между здоровыми и пораженными предсердиями или здоровыми и пораженными желудочками. Биоинформатический анализ данных идентифицировал программы транскрипции, которые были изменены в предсердиях или желудочках при сердечной недостаточности. например, ген PALD кодирует белок цитоскелета, необходимый для организации актиновых микрофиламентов; в сердце активно транскрибируются две изоформы, но более длинная становится доминирующей при сердечной недостаточности из-за переключения промотора. В желудочках снижалась транскрипция генов, участвующих в метаболических путях и иммунных реакциях. Найдены были также регуляторные различия между ишемической и неишемической кардиомиопатией.

CAGE-анализ выполнялся на целых тканях сердца, которые состоят из множества различных типов клеток — кардиомиоцитов, фибробластов, эндотелиальных клеток, клеток иммунной системы. Авторы смогли реконструировать количественные соотношения различных типов клеток в исследуемых образцах. Оказалось, что клеточный состав предсердий при сердечной недостаточности изменялся сильнее, чем желудочков, — в тканях предсердий сильно увеличивалось количество клеток с генными сигнатурами, характерными для желудочковых кардиомиоцитов.

Генетические варианты также могут влиять на функцию и активность промоторов и энхансеров. Авторы обнаружили, что TRE и участки вокруг них обогащены распространенными вариантами, связанными с сердечно-сосудистыми нарушениями или особенностями. Такие варианты могут влиять на транскрипцию. Например, они ассоциированы с сайтами связывания CTCF — фактора транскрипции, который устанавливает границы между топологически ассоциированными доменами и облегчает взаимодействие между регуляторными последовательностями.

На вопросы PCR.NEWS ответил в электронном письме один из ведущих авторов работы, профессор Северо-Западного университета в Чикаго Игорь Ефимов.

— В вашей работе показано, что клетки предсердия при патологии приобретают генные сигнатуры, характерные для кардиомиоцитов желудочка. А что происходит при этом с сердцем, с какими патологическими изменениями это может быть связано?

— Вентрикуляризация предсердных миоцитов — одно из самых неожиданных открытий этой работы, сделанное Русланом Девятияровым, первым автором статьи. Когда Руслан нам рассказал об этой находке — мы дружно решили, что это ошибка, и попросили его перепроверить все расчеты, и он их перепроверял несколько раз: все было подтверждено! В предсердиях больных с сердечной недостаточностью происходит перепрограммирование миоцитов из предсердных в желудочковые! Физиологическое значение этой «вентрикуляризации» еще предстоит изучать; но его значение очень велико, так как больные сердечной недостаточностью часто страдают от мерцательной аритмии из-за значительного патологического ремоделирования предсердий. Позже мы нашли более раннюю статью 2005 года из Германии, в которой похожая «вентрикуляризации» уже была описана у больных с мерцательной аритмией. Таким образом, сердечная недостаточность приводит к патологическим изменениям в клетках предсердий, которые также наблюдаются у больных мерцательной аритмией! Это может объяснить причинную связь между сердечной недостаточностью и мерцательной аритмией. Надеемся, что это открытие поможет найти новые методы лечения как сердечной недостаточности, так и связанной с ней мерцательной аритмии.

— Кто будет пользоваться атласом транскрибируемых регуляторных элементов?

— Наш атлас — open source — будет использоваться многими учеными и врачами всего мира, работающими в области сердечно-сосудистой медицины и биологии. Он также может использоваться в образовании врачей и ученых-биологов. На основании этого атласа можно делать новые открытия в области сердца. Например, мы готовим статью по разнице между мужчинами и женщинами, сделанную на основании данных этого атласа. Мы нашли много удивительных отличий, которые помогут объяснить разницу заболеваемости между мужчинами и женщинами. Это также поможет разработать более точные методы лечения заболеваний сердца у мужчин и женщин согласно специфике экспрессии генов у разных полов и возрастов.


Содержание белков в мышце во время тренировок регулируется на различных уровнях

Сердце рыбок данио регенерирует после инфаркта

Источник

Deviatiiarov, R.M., et al. An atlas of transcribed human cardiac promoters and enhancers reveals an important role of regulatory elements in heart failure // Nature Cardiovascular Research, 2023. DOI:  10.1038/s44161-022-00182-x

Добавить в избранное