Przy poszukiwaniu przyczyn chorób genetycy koncentrowali się do niedawna głównie na obszarach DNA kodujących białka. Teraz poszerzają zakres tych poszukiwań o obszary międzygenowe. Analizują też strukturę trójwymiarową DNA oraz oddziaływania międzygenowe. Na ile są one istotne przy powstawaniu niedosłuchu, wyjaśnia dr hab. n. med. Monika Ołdak, prof. IFPS, kierownik Zakładu Genetyki Instytutu Fizjologii i Patologii Słuchu.
Co to są zmiany strukturalne?
DNA analizujemy liniowo, trzeba jednak pamiętać, że jego nić, upakowana wokół specyficznych białek, tworzy trójwymiarową strukturę. Dlatego bardzo odległe w linii prostej regiony mogą na siebie bezpośrednio oddziaływać. Prof. Stefan Mundlos z Instytutu Genetyki Molekularnej Maxa Plancka w Berlinie w swoim wystąpieniu podczas jednej z naukowych konferencji wyjaśniał mechanizm dalekich interakcji różnych obszarów DNA w obrazowy sposób, odwołując się do podziału Berlina z czasów „żelaznej kurtyny”. Berlin Zachodni ściśle współpracował wówczas z USA, a Berlin Wschodni – z Moskwą. Sąsiadujące części miasta nie pozostawały w kontakcie ze sobą, lecz z oddalonymi o tysiące kilometrów krajami. W genetyce sytuacja może być podobna – dwa leżące obok siebie fragmenty mogą nie wywierać na siebie żadnego wpływu, natomiast pozostawać w interakcji z bardzo odległymi liniowo obszarami DNA. Te odległe, ale „współpracujące” ze sobą sekwencje nazywane są domenami związanymi topologicznie (ang. Topologically Associated Domains, TAD). Dodam jeszcze, że domeny zawierają nie tylko sekwencje kodujące białka, lecz także sekwencje regulatorowe, które wpływają na aktywność genów, wzmacniając (tzw. wzmacniacze) lub wyciszając ich aktywność (represory). Jedna domena może składać się z jednego bądź większej liczby genów, jednej bądź większej liczby sekwencji regulatorowych.
Poszukiwanie nowych domen to nowy trend w genetyce?
Tak. Okazuje się, że zmiany strukturalne genomu człowieka występują nawet 8 do 10 razy częściej niż zmiany pojedynczych nukleotydów, czyli „cegiełek” budujących DNA, na których dotąd koncentrowano się przy poszukiwaniu zmian genetycznych powodujących niedosłuch. Na skutek tzw. polimorfizmów pojedynczych nukleotydów geny mogą występować w kilku wariantach, a jeśli mają one charakter patologiczny – stają się przyczyną choroby. Zmiany pojedynczych nukleotydów są niedużymi zmianami i nie rzutują na trójwymiarową strukturę DNA. Oprócz zmian pojedynczych nukleotydów w genomie wyróżnia się większe zmiany, obejmujące do 20 nukleotydów (insercje bądź delecje, ang. indel) albo tzw. polimorfizmy liczby kopii, w których występuje naddanie lub ubytek co najmniej 20 nukleotydów. Określa się je w skrócie jako zmienność liczby kopii (ang. copy number variation, CNV). Są one ważne, ale do tej pory z powodu braku odpowiednich technologii trudno było je badać i interpretować zarówno genetykom molekularnym, jak i specjalistom od cytogenetyki, czyli badań chromosomów. Podczas badań cytogenetycznych duże zmiany mogły być wprawdzie zauważalne, jednak trudne do precyzyjnej oceny z powodu zbyt małej rozdzielczości obrazu. Obecnie dzięki nowym technologiom dokładne identyfikowanie zmian strukturalnych staje się realne.
Jakie są pierwsze efekty tych poszukiwań?
Wspomniany już przeze mnie prof. Mundlos i jego współpracownicy zajmujący się wadami rozwojowymi kończyn zauważyli, że istnieją delecje o podobnej lokalizacji i niewiele różniące się rozmiarem, które związane są z różnym fenotypem pacjentów. To zastanawiające zjawisko, gdyż podobne uszkodzenia tych samych genów nie powinny powodować aż takich różnic w obrazie klinicznym. Przyczyn zaczęto upatrywać w trójwymiarowej strukturze DNA. Okazało się, że o odmienności fenotypowej decyduje umiejscowienie delecji. Obraz fenotypowy zależy od tego, czy występuje ona w obrębie jednej domeny, czy też obejmuje także sekwencje należące do innej. W tym drugim przypadku dochodzi do uszkodzenia granic pomiędzy domenami – obydwie działają nieprawidłowo, jedna z nich może być np. regulowana przez drugą (mówimy wtedy, iż dochodzi do tzw. adopcji obszarów regulatorowych).
Czy zmiany strukturalne mogą być przyczyną niedosłuchu?
Tak. Szacuje się, iż zmiany strukturalne odpowiadają za 4–8 proc. niedosłuchów genetycznie uwarunkowanych.
A czy wiedza na ich temat rzutuje na leczenie niedosłuchu?
Na razie jeszcze nie, podobnie zresztą jak w przypadku innych zmian genetycznych. Na tym etapie staramy się zrozumieć, jakie mechanizmy – poza uszkodzeniami sekwencji kodujących białka – mogą prowadzić do niedosłuchu.
Czego nowego dowiadujemy się na temat obszarów niekodujących?
Z badań płynie jeden podstawowy wniosek – obszary te są ważniejsze niż wcześniej przypuszczano. Kiedyś genetycy byli skupieni na badaniu genów i nie przywiązywali większej wagi do obszarów międzygenowych. Nazywano je „pustynią genową”…
… albo nawet śmieciowym DNA.
Teraz unikamy tego nazewnictwa. Jak się bowiem okazuje, obszary DNA niekodujące białka mogą być nawet nadrzędne nad obszarami kodującymi białka, bo tam właśnie znajdują się sekwencje regulujące aktywność genów i kodujące różnego rodzaju RNA. Obszary niekodujące białka istotnie wpływają na rozmaite funkcje komórki, dlatego zaczęto je nazywać „wyspami regulacji” (ang. islands of regulation). Obecnie próbujemy zrozumieć, jakie dokładnie znaczenie mają te wyspy, które obszary na siebie wzajemnie oddziałują, gdzie w genomie są sekwencje wzmacniające, a gdzie hamujące aktywność genów.
Zakład Genetyki IFPS także prowadzi takie poszukiwania?
Tak. W naszym Zakładzie właśnie opracowywane są nowe algorytmy bioinformatyczne, niezbędne przy poszukiwaniu zmian strukturalnych. Nie ukrywam, że z wynikami tej analizy wiążemy duże nadzieje. Spośród stu objętych badaniami genetycznymi pacjentów Instytutu (zaznaczę, że są to pacjenci pochodzący z rodzin, gdzie istnieje podejrzenie niedosłuchu recesywnego, z bardzo obciążonym wywiadem rodzinnym – rodzice słyszący i przynajmniej dwoje dzieci niesłyszących) genetyczne przyczyny niedosłuchu udało nam się zidentyfikować u 60. U 40 pozostałych są one wciąż nieznane. Oznacza to, że w tej grupie istnieją inne, niewykryte jeszcze przez nas mutacje genetyczne powodujące niedosłuch, może są to właśnie zmiany strukturalne. Krok po kroku będziemy więc ich poszukiwać.
Rozmawiała: Jolanta Chyłkiewicz