V bezprecedentnom atlase výskumníci začali mapovať, ako sa gény zapínajú alebo vypínajú v rôznych bunkách, čo je krok k lepšiemu pochopeniu väzieb medzi génmi a chorobami.

Vedci z Kalifornskej univerzity v San Diegu vytvorili jednobunkový chromatínový atlas ľudského genómu. Chromatín sa syntetizuje z DNA Proteín nachádzajúci sa v eukaryotických bunkách. Chromatínové oblasti regulačných prvkov kľúčových génov sa objavujú v otvorených konfiguráciách v rámci špecifických bunkových jadier. Presná identifikácia dostupných chromatínových oblastí v bunkách z rôznych typov ľudského tkaniva bude kľúčovým krokom k pochopeniu úlohy génových regulačných prvkov (nekódujúca DNA) v ľudskom zdraví alebo chorobe.

Výsledky boli zverejnené online vo vydaní z 12. novembra 2021 cela vo väzení.

Pre vedcov je ľudský genóm, známy ako „kniha života“, väčšinou nepísaný. Alebo aspoň neprečítané. Zatiaľ čo veda uvádza slávny (približný) počet všetkých génov kódujúcich proteíny, ktoré sú potrebné na stavbu ľudskej bytosti, takmer 20 000+, tento odhad v skutočnosti nezačína presne vysvetľovať, ako proces budovania funguje alebo v prípade choroba, môže sa to zvrtnúť.

„Ľudský genóm bol sekvenovaný pred 20 rokmi, ale interpretácia významu tejto knihy života zostáva výzvou,“ povedal Bing Ren, PhD, riaditeľ Centra pre genetiku, profesor bunkovej a molekulárnej medicíny na UC San Diego. Medicína a člen Ludwigovho inštitútu pre výskum rakoviny na Kalifornskej univerzite v San Diegu.

„Jedným z hlavných dôvodov je, že väčšina sekvencií ľudskej DNA, viac ako 98 percent, nekóduje proteín a zatiaľ nemáme knihu genetických kódov, ktorá by odomkla informácie vložené do týchto sekvencií.“

Inými slovami, je to trochu ako zisťovanie názvov kapitol, ale zvyšok strán zostáva prázdny.

Snahy o vyplnenie prázdnych miest sú vo veľkom zachytené v rámci prebiehajúceho medzinárodného úsilia tzv Encyklopédia prvkov DNA (ENCODE), vrátane práce Ren a kolegov. Skúmali najmä úlohu a funkciu chromatínu, komplexu DNA a proteínov, ktoré tvoria chromozómy v jadrách eukaryotických buniek.

DNA nesie genetické inštrukcie pre bunku. Kľúčové proteíny v chromatíne, nazývané históny, pomáhajú pevne zostaviť DNA do kompaktného tvaru, ktorý zapadá do bunkového jadra. (V každom bunkovom jadre je zastrčených približne šesť stôp DNA a v každom ľudskom tele je vzdialená asi 10 miliárd míľ.) Zmeny v tom, ako chromatín skladá DNA, sú spojené s replikáciou DNA a génovou expresiou.

Po práci s myšami Ren a spolupracovníci obrátili svoju pozornosť na jednobunkový atlas chromatínu v ľudskom genóme.

Aplikovali testy na viac ako 600 000 ľudských bunkách odobratých z 30 typov dospelých ľudských tkanív od viacerých darcov a potom tieto informácie skombinovali s podobnými údajmi z 15 typov tkaniva plodu, aby odhalili stav chromatínu v takmer 1,2 miliónoch regulačných prvkov. Filtrované v 222 rôznych prvkoch . Typy buniek.

Spoluautor štúdie Sebastian Presell, PhD a spoluriaditeľ Single Cell Genomics na Kalifornskej univerzite v San Diegu Center for Genetics, spolupracujúceho výskumného centra, ktoré vykonalo testy.

Cis regulačné prvky sú oblasti nekódujúcej DNA, ktoré regulujú transkripciu (kopírujú časť DNA do RNA) zo susedných génov. Transkripcia je základný proces, ktorý mení genetickú informáciu na činy.

„Štúdie v poslednom desaťročí ukázali, že sekvenčné rozdiely v nekódujúcej DNA sú hlavnou hnacou silou polygénnych znakov a chorôb u ľudí, ako je cukrovka, Alzheimerova choroba„Choroby a autoimunitné choroby,“ povedal spoluautor štúdie Kyle J. Gulton, PhD, odborný asistent na oddelení pediatrie na Lekárskej fakulte Univerzity v San Diegu.

„Nový model, ktorý pomáha vysvetliť, ako tieto nekódujúce varianty prispievajú k chorobe, predpokladá, že tieto zmeny sekvencie narúšajú funkciu transkripčných regulačných prvkov a vedú k chybnej génovej expresii v typoch buniek súvisiacich s ochorením, ako sú neuróny, imunitné bunky alebo epitelové bunky.“ buniek,“ povedal prvý spoluautor Kai Zhang, PhD, postdoktorand na oddelení bunkovej a molekulárnej medicíny. „Hlavnou prekážkou odblokovania funkcie nekódujúcich rizikových variantov je však nedostatok máp transkripčných regulačných prvkov špecifických pre bunkový typ v ľudskom genóme.“

Nové zistenia identifikujú typy buniek relevantné pre patologické znaky 240 polygénnych znakov a chorôb a ilustrujú riziká nekódujúcich variantov, povedal Ren.

„Veríme, že tento zdroj značne uľahčí štúdium mechanizmu naprieč širokou škálou ľudských chorôb na mnoho nasledujúcich rokov.“

Atlas chromatínu tiež umožní vedeckej komunite odhaliť rozdiely špecifické pre tkanivové prostredie pre typy buniek nachádzajúcich sa vo viacerých tkanivách, ako sú fibroblasty, imunitné bunky alebo endotelové bunky, povedal Prissell.

Odkaz: „Jednobunkový atlas dostupnosti chromatínu v ľudskom genóme“ od Kai Zhang, James D. Hooker, Michael Miller, Xiaoming Hu, Joshua Chiu a Olivier B. Gulton, Allen Wang, Sebastian Presel a Bing Ren, 12. novembra 2021, k dispozícii tu. cela vo väzení.
DOI: 10.1016 / j.cell.2021.10.024

Spoluautormi sú: James D. Hooker a Yang E. Lee, Ludwig Institute for Cancer Research a University of California, San Diego; Michael Miller, Hiaomeng Hou, Joshua Chiou, Olivier B. Poirion, Allen Wang, všetci na UCSD; a Yunjiang Qiu, Ludwigov inštitút pre výskum rakoviny, La Jolla.

Financovanie tohto výskumu čiastočne pochádzalo od Ludwigovho inštitútu pre výskum rakoviny, Národného inštitútu pre výskum ľudského genómu (GRANT 3U54HG006997-04S2), Národnej nadácie zdravotných ústavov (AMP T2D RFP14) a Národnej inštitúcie Ruth L. Kirchstein Cena za vedecký výskum od Národného inštitútu všeobecných lekárskych vied (T32 GM008666).