Naukowcy opracowali nową platformę do edycji genomu, która umożliwia precyzyjną manipulację znacznikami chromatyny, ujawniając ich bezpośredni wpływ na ekspresję genów i podważając wcześniejsze zrozumienie mechanizmów regulacyjnych genów.
Badania przeprowadzone przez grupę Hacketta w EMBL Rzym doprowadziły do opracowania potężnej techniki edycji genów, która otwiera możliwość precyzyjnego programowania modyfikacji chromatyny.
Zrozumienie sposobu regulacji genów na poziomie molekularnym stanowi główne wyzwanie współczesnej biologii. Ten złożony mechanizm opiera się głównie na interakcji między białkami zwanymi czynnikami transkrypcyjnymi, DNA Regiony regulatorowe i modyfikacje epigenetyczne – zmiany chemiczne zmieniające strukturę chromatyny. Zbiór epigenetycznych modyfikacji genomu komórki nazywany jest epigenomem.
Postępy w edycji epigenomu
W badaniu opublikowanym dzisiaj (9 maja) w Genetyka naturyNaukowcy z grupy Hacketta z Europejskiego Laboratorium Biologii Molekularnej (EMBL) w Rzymie opracowali modułową platformę do edycji genomu – system umożliwiający programowanie modyfikacji epigenetycznych w dowolnym miejscu genomu. System umożliwia naukowcom badanie wpływu każdej modyfikacji chromatyny na transkrypcję, czyli mechanizm, za pomocą którego geny ulegają transkrypcji na mRNA w celu katalizowania syntezy białek.
Uważa się, że modyfikacje chromatyny przyczyniają się do regulacji kluczowych procesów biologicznych, takich jak rozwój, reakcja na sygnały środowiskowe i choroby.
Kreatywna ilustracja zestawu narzędzi do edycji epigenetycznej: Każdy budynek reprezentuje stan epigenetyczny pojedynczego genu (ciemne okna to ciche geny, jasne okna to geny aktywne). Dźwignia demonstruje system edycji epigenetycznej, który umożliwia odkładanie znaczników chromatyny de novo w dowolnym miejscu genomu. Marzia Monafo
Aby zrozumieć wpływ określonych znaczników chromatyny na regulację genów, w poprzednich badaniach zmapowano ich rozmieszczenie w genomach typów komórek zdrowych i chorych. Łącząc te dane z analizą ekspresji genów i znanymi skutkami zakłócania określonych genów, naukowcy przypisali funkcje tym znakom chromatyny.
Jednakże ustalenie związku przyczynowego między znakami chromatyny a regulacją genów okazało się trudne. Wyzwanie polega na przeanalizowaniu indywidualnego wkładu wielu złożonych czynników zaangażowanych w taką regulację – znaczników chromatynowych, czynników transkrypcyjnych i regulacyjnych sekwencji DNA.
Przełom w technologii edycji epigenomu
Naukowcy z grupy Hacketta opracowali modułowy system edycji genomu, umożliwiający precyzyjne zaprogramowanie dziewięciu biologicznie ważnych znaczników chromatyny w dowolnym pożądanym regionie genomu. System opiera się na CRISPR – szeroko stosowanej technologii edycji genomu, która umożliwia badaczom dokonywanie modyfikacji w określonych miejscach DNA z dużą precyzją i Dokładność.
Takie subtelne zakłócenia umożliwiły im dokładne zbadanie związków przyczynowo-skutkowych między znakami chromatyny a ich skutkami biologicznymi. Naukowcy zaprojektowali także i wykorzystali „system reporterowy”, który pozwolił im zmierzyć zmiany w ekspresji genów na poziomie pojedynczej komórki i zrozumieć, w jaki sposób zmiany w sekwencji DNA wpływają na działanie każdego znacznika chromatyny. Ich wyniki ujawniają przyczynową rolę zestawu znaczników chromatyny ważnych w regulacji genów.
Kluczowe ustalenia i przyszłe kierunki
Na przykład badacze odkryli nową rolę H3K4me3, znacznika chromatyny, który wcześniej uważano za konsekwencję transkrypcji. Zauważyli, że H3K4me3 może w rzeczywistości sam zwiększyć transkrypcję, jeśli zostanie sztucznie dodany do określonych miejsc DNA.
„To był bardzo ekscytujący i nieoczekiwany wynik, który był sprzeczny ze wszystkimi naszymi oczekiwaniami” – powiedziała Christina Policarpi, badaczka ze stopniem doktora w grupie Hacketta i główny naukowiec w badaniu. „Nasze dane wskazują na złożoną sieć regulacyjną, w której wiele czynników rządzących oddziałuje na siebie, modulując poziomy ekspresji genów w danej komórce. Czynniki te obejmują istniejącą wcześniej strukturę chromatyny, podstawową sekwencję DNA i lokalizację w genomie.
Potencjalne zastosowania i przyszłe badania
Hackett i jego współpracownicy badają obecnie sposoby wykorzystania tej technologii w obiecującym projekcie start-upowym. Następnym krokiem będzie potwierdzenie i rozszerzenie tych wniosków poprzez ukierunkowanie genów na różne typy komórek i na szeroką skalę. Pozostaje do wyjaśnienia, w jaki sposób znaczniki chromatyny wpływają na transkrypcję poprzez różnorodność genów i dalsze mechanizmy.
„Nasz modułowy zestaw narzędzi do edycji epigenetycznej stanowi nowe eksperymentalne podejście do analizy wzajemnych powiązań między genomem a epigenomem” – powiedział Jamie Hackett, lider grupy w EMBL Rome. „System można wykorzystać w przyszłości do dokładniejszego zrozumienia znaczenia zmian epigenomicznych dla wpływania na aktywność genów podczas rozwoju i chorób człowieka. Z drugiej strony technologia ta otwiera również możliwość programowania pożądanych poziomów ekspresji genów w wysokim stopniu Jest to ekscytujący sposób na zastosowanie.” Dokładne korzyści zdrowotne mogą być przydatne w przypadku choroby.
Odniesienie: „Edycja genomu łodygi oddaje zależną od kontekstu pouczającą funkcję modyfikacji chromatyny” 9 maja 2024 r., Genetyka natury.
doi: 10.1038/s41588-024-01706-s
