Štúdia Hackettovej skupiny v EMBL v Ríme viedla k vývoju výkonnej techniky úpravy génov, ktorá otvára možnosť presne programovať modifikácie chromatínu.

Pochopenie toho, ako sú gény regulované na molekulárnej úrovni, je hlavnou výzvou v modernej biológii. Tento komplexný mechanizmus je poháňaný hlavne interakciou medzi proteínmi nazývanými transkripčné faktory, DNA Regulačné oblasti a epigenetické modifikácie – chemické zmeny, ktoré menia štruktúru chromatínu. Súbor epigenetických modifikácií bunkového genómu sa označuje ako epigenóm.

Pokroky v úprave epigenómu

V štúdii zverejnenej dnes (9. mája) v Prírodná genetikaVedci z Hackettovej skupiny v Európskom laboratóriu molekulárnej biológie (EMBL) v Ríme vyvinuli modulárnu platformu na úpravu genómu – systém na programovanie epigenetických modifikácií kdekoľvek v genóme. Systém umožňuje vedcom študovať vplyv každej modifikácie chromatínu na transkripciu, mechanizmus, ktorým sa gény prepisujú do mRNA, aby katalyzovali syntézu proteínov.

Predpokladá sa, že modifikácie chromatínu prispievajú k regulácii kľúčových biologických procesov, ako je rast, reakcia na signály prostredia a choroby.

Kreatívna ilustrácia Epigenetic Editing Toolkit: Každá budova predstavuje epigenetický stav jedného génu (tmavé okná sú tiché gény, svetlé okná sú aktívne gény). Páka demonštruje epigenetický editačný systém, ktorý umožňuje de novo ukladanie chromatínových značiek na akékoľvek miesto genómu. Marzia Monafo

Aby sme pochopili účinky špecifických chromatínových značiek na génovú reguláciu, predchádzajúce štúdie zmapovali ich distribúciu v genómoch zdravých a chorých bunkových typov. Spojením týchto údajov s analýzou génovej expresie a známymi účinkami narušenia špecifických génov vedci pripísali funkcie týmto chromatínovým značkám.

Ukázalo sa však, že je ťažké určiť príčinný vzťah medzi chromatínovými značkami a génovou reguláciou. Výzvou je rozobrať jednotlivé príspevky mnohých komplexných faktorov zapojených do takejto regulácie – chromatínových značiek, transkripčných faktorov a regulačných sekvencií DNA.

Prelom v technológii úpravy epigenómu

Vedci z Hackettovej skupiny vyvinuli modulárny systém na úpravu genómu na presné naprogramovanie deviatich biologicky dôležitých chromatínových značiek do akejkoľvek požadovanej oblasti genómu. Systém je založený na CRISPR – široko používanej technológii úpravy genómu, ktorá umožňuje výskumníkom vykonávať úpravy na špecifických miestach DNA s vysokou presnosťou a presnosťou. Presnosť.

Takéto jemné poruchy im umožnili starostlivo rozobrať vzťahy príčin a následkov medzi chromatínovými značkami a ich biologickými účinkami. Vedci tiež navrhli a použili „reportérsky systém“, ktorý im umožnil merať zmeny v génovej expresii na úrovni jednej bunky a pochopiť, ako zmeny v sekvencii DNA ovplyvňujú účinok každej chromatínovej značky. Ich výsledky odhaľujú kauzálne úlohy súboru chromatínových značiek dôležitých v génovej regulácii.

Kľúčové zistenia a budúce smerovanie

Napríklad výskumníci našli novú úlohu pre H3K4me3, chromatínovú značku, o ktorej sa predtým myslelo, že je dôsledkom transkripcie. Poznamenali, že H3K4me3 môže skutočne zvýšiť transkripciu sám o sebe, ak je umelo pridaný na špecifické miesta v DNA.

„Bol to veľmi vzrušujúci a neočakávaný výsledok, ktorý bol v rozpore so všetkými našimi očakávaniami,“ povedala Christina Policarpi, postdoktorandská výskumníčka v Hackettovej skupine a vedúca vedkyňa v štúdii. „Naše údaje poukazujú na komplexnú regulačnú sieť, kde viaceré riadiace faktory interagujú s cieľom modulovať hladiny génovej expresie v danej bunke. Tieto faktory zahŕňajú už existujúcu štruktúru chromatínu, základnú sekvenciu DNA a umiestnenie v genóme.

Potenciálne aplikácie a budúci výskum

Hackett a jeho kolegovia v súčasnosti skúmajú spôsoby, ako využiť túto technológiu prostredníctvom sľubného startupového projektu. Ďalším krokom bude potvrdenie a rozšírenie týchto záverov zacielením génov naprieč rôznymi typmi buniek a v širokom meradle. Zostáva objasniť, ako chromatínové značky ovplyvňujú transkripciu prostredníctvom génovej diverzity a následných mechanizmov.

„Naša modulárna súprava nástrojov na epigenetickú úpravu predstavuje nový experimentálny prístup k rozboru vzájomných vzťahov medzi genómom a epigenómom,“ povedal Jamie Hackett, vedúci skupiny v EMBL Rome. „Systém by mohol byť v budúcnosti použitý na presnejšie pochopenie dôležitosti epigenomických zmien pri ovplyvňovaní génovej aktivity počas vývoja a pri ľudských chorobách laditeľný spôsob. Toto je vzrušujúca cesta pre aplikácie.“ Presné zdravotné prínosy môžu byť užitočné v prípade choroby.

Odkaz: „Editácia genómu kmeňa zachytáva kontextovo závislú inštruktážnu funkciu modifikácií chromatínu“ 9. mája 2024, Prírodná genetika.
doi: 10.1038/s41588-024-01706-s