Hackett’o grupės EMBL Rome atliktas tyrimas paskatino sukurti galingą genų redagavimo techniką, kuri atveria galimybę tiksliai programuoti chromatino modifikacijas.

Suprasti, kaip genai reguliuojami molekuliniu lygiu, yra pagrindinis šiuolaikinės biologijos iššūkis. Šį sudėtingą mechanizmą daugiausia lemia baltymų, vadinamų transkripcijos faktoriais, sąveika, DNR Reguliavimo sritys ir epigenetinės modifikacijos – cheminiai pokyčiai, keičiantys chromatino struktūrą. Ląstelės genomo epigenetinių modifikacijų rinkinys vadinamas epigenomu.

Epigenomo redagavimo pažanga

Šiandien (gegužės 9 d.) paskelbtame tyrime Gamtos genetikaMokslininkai iš Hacketto grupės Europos molekulinės biologijos laboratorijoje (EMBL) Romoje sukūrė modulinę genomo redagavimo platformą – sistemą, skirtą programuoti epigenetines modifikacijas bet kurioje genomo vietoje. Sistema leidžia mokslininkams ištirti kiekvienos chromatino modifikacijos poveikį transkripcijai – mechanizmui, kuriuo genai transkribuojami į mRNR, kad būtų katalizuojama baltymų sintezė.

Manoma, kad chromatino modifikacijos prisideda prie pagrindinių biologinių procesų, tokių kaip augimas, atsakas į aplinkos signalus ir ligos, reguliavimo.

Kūrybinga epigenetinio redagavimo įrankių rinkinio iliustracija: kiekvienas pastatas atspindi vieno geno epigenetinę būseną (tamsūs langai yra tylūs genai, šviesūs langai yra aktyvūs genai). Svirtis demonstruoja epigenetinę redagavimo sistemą, leidžiančią de novo nusodinti chromatino žymes bet kurioje genomo vietoje. Marzija Monafo

Norint suprasti specifinių chromatino ženklų poveikį genų reguliavimui, ankstesni tyrimai nustatė jų pasiskirstymą sveikų ir sergančių ląstelių tipų genomuose. Sujungę šiuos duomenis su genų ekspresijos analize ir žinomu konkrečių genų trikdymo poveikiu, mokslininkai priskyrė funkcijas šiems chromatino žymenims.

Tačiau pasirodė, kad sunku nustatyti priežastinį ryšį tarp chromatino ženklų ir genų reguliavimo. Iššūkis yra atskirti daugelio sudėtingų veiksnių, susijusių su tokiu reguliavimu, indėlį – chromatino žymes, transkripcijos faktorius ir reguliuojančias DNR sekas.

Proveržis epigenomo redagavimo technologijoje

Hacketto grupės mokslininkai sukūrė modulinę genomo redagavimo sistemą, kuri tiksliai užprogramuotų devynias biologiškai svarbias chromatino žymes į bet kurį pageidaujamą genomo regioną. Sistema pagrįsta CRISPR – plačiai naudojama genomo redagavimo technologija, leidžiančia tyrėjams labai tiksliai atlikti modifikacijas tam tikrose DNR vietose. Tikslumas.

Tokie subtilūs trikdžiai leido jiems atidžiai išsklaidyti priežasties ir pasekmės ryšius tarp chromatino žymių ir jų biologinio poveikio. Mokslininkai taip pat sukūrė ir naudojo „reporterių sistemą“, kuri leido jiems išmatuoti genų ekspresijos pokyčius vienos ląstelės lygmenyje ir suprasti, kaip DNR sekos pokyčiai veikia kiekvieno chromatino ženklo poveikį. Jų rezultatai atskleidžia priežastinį chromatino ženklų rinkinio, svarbių genų reguliavimui, vaidmenį.

Pagrindinės išvados ir ateities kryptys

Pavyzdžiui, mokslininkai atrado naują vaidmenį H3K4me3, chromatino žymę, kuri anksčiau buvo laikoma transkripcijos pasekmė. Jie pažymėjo, kad H3K4me3 iš tikrųjų gali padidinti transkripciją, jei jis dirbtinai pridedamas prie konkrečių DNR vietų.

„Tai buvo labai jaudinantis ir netikėtas rezultatas, prieštaraujantis visiems mūsų lūkesčiams“, – sakė Christina Policarpi, Hacketto grupės doktorantė ir tyrimo vadovė. „Mūsų duomenys rodo sudėtingą reguliavimo tinklą, kuriame sąveikauja keli valdantys veiksniai, moduliuodami genų ekspresijos lygį tam tikroje ląstelėje. Šie veiksniai apima jau egzistuojančią chromatino struktūrą, pagrindinę DNR seką ir vietą genome.

Galimi pritaikymai ir būsimi tyrimai

Hackettas ir jo kolegos šiuo metu tiria būdus, kaip panaudoti šią technologiją per daug žadantį paleidimo projektą. Kitas žingsnis bus patvirtinti ir išplėsti šias išvadas, nukreipiant genus į skirtingus ląstelių tipus ir plačiu mastu. Dar reikia išsiaiškinti, kaip chromatino ženklai veikia transkripciją per genų įvairovę ir tolesnius mechanizmus.

„Mūsų modulinis epigenetinio redagavimo įrankių rinkinys yra naujas eksperimentinis požiūris į genomo ir epigenomo tarpusavio ryšių išskaidymą“, – sakė EMBL Rome grupės vadovas Jamie Hackettas. „Sistema ateityje galėtų būti naudojama siekiant tiksliau suprasti epigenominių pokyčių svarbą įtakojančių genų aktyvumą vystymosi metu ir sergant žmonių ligomis. Kita vertus, ši technologija taip pat atveria galimybę programuoti norimus genų ekspresijos lygius Tai jaudinantis būdas pritaikyti sveikatai.

Nuoroda: „Kamieno genomo redagavimas fiksuoja nuo konteksto priklausančią mokomąją chromatino modifikacijų funkciją“ 2024 m. gegužės 9 d. Gamtos genetika.
doi: 10.1038/s41588-024-01706-s