Az új Epigenome Editing Platform lehetővé teszi az epigenetikai módosítások precíz programozását

A kutatók egy új genomszerkesztő platformot fejlesztettek ki, amely lehetővé teszi a kromatinjelek precíz manipulálását, feltárva azok közvetlen hatását a génexpresszióra, és megkérdőjelezi a génszabályozó mechanizmusok korábbi megértését.

Hackett csoportja az EMBL Rome-ban végzett tanulmánya egy erőteljes génszerkesztési technika kifejlesztéséhez vezetett, amely lehetővé teszi a kromatin módosítások precíz programozását.

A gének molekuláris szintű szabályozásának megértése nagy kihívást jelent a modern biológiában. Ezt az összetett mechanizmust főként a transzkripciós faktoroknak nevezett fehérjék közötti kölcsönhatás vezérli, DNS Szabályozó régiók és epigenetikai módosulások – kémiai változások, amelyek megváltoztatják a kromatin szerkezetét. A sejt genomjának epigenetikai módosításainak gyűjteményét epigenomnak nevezik.

Előrelépések az epigenom szerkesztésben

Egy ma (május 9-én) megjelent tanulmányban Természet genetikaA római European Molecular Biology Laboratory (EMBL) Hackett csoportjának tudósai moduláris genomszerkesztő platformot fejlesztettek ki – egy olyan rendszert, amely a genomban bárhol programozhatja az epigenetikai módosításokat. A rendszer lehetővé teszi a tudósok számára, hogy tanulmányozzák az egyes kromatin-módosítások hatását a transzkripcióra, vagyis arra a mechanizmusra, amellyel a gének mRNS-be íródnak át, hogy katalizálják a fehérjeszintézist.

Úgy gondolják, hogy a kromatin módosításai hozzájárulnak a kulcsfontosságú biológiai folyamatok szabályozásához, mint például a növekedés, a környezeti jelekre adott válasz és a betegségek.

Az Epigenetic Editing Toolkit kreatív illusztrációja: Minden épület egyetlen gén epigenetikai állapotát reprezentálja (a sötét ablakok néma gének, a világos ablakok az aktív gének). A kar bemutatja az epigenetikai szerkesztőrendszert, amely lehetővé teszi a kromatin jelek de novo lerakódását bármely genomiális helyen. Marzia Monafo

A specifikus kromatinjelek génszabályozásra gyakorolt ​​hatásának megértése érdekében korábbi tanulmányok feltérképezték eloszlásukat az egészséges és beteg sejttípusok genomjában. Ezeket az adatokat a génexpressziós elemzéssel és a specifikus gének megzavarásának ismert hatásaival kombinálva a tudósok funkciókat tulajdonítottak ezeknek a kromatinjeleknek.

Nehéznek bizonyult azonban a kromatinjelek és a génszabályozás közötti ok-okozati összefüggés meghatározása. A kihívás az ilyen szabályozásban szerepet játszó számos összetett tényező – a kromatinjelek, a transzkripciós faktorok és a szabályozó DNS-szekvenciák – egyéni hozzájárulásának feltárása.

Áttörés az epigenom szerkesztési technológiában

Hackett csoportjának tudósai egy moduláris genomszerkesztő rendszert fejlesztettek ki, amellyel kilenc biológiailag fontos kromatin jelet pontosan beprogramozhatnak a genom bármely kívánt régiójába. A rendszer a CRISPR-en alapul – egy széles körben használt genomszerkesztési technológián, amely lehetővé teszi a kutatók számára, hogy a DNS meghatározott helyein nagy pontossággal és Pontosság.

Az ilyen finom perturbációk lehetővé tették számukra, hogy gondosan feltárják az ok-okozati összefüggéseket a kromatinnyomok és biológiai hatásaik között. A tudósok egy „riporter rendszert” is megterveztek és használtak, amely lehetővé tette számukra, hogy egysejtszinten mérjék a génexpresszió változásait, és megértsék, hogy a DNS-szekvenciában bekövetkező változások hogyan befolyásolják az egyes kromatinjelek hatását. Eredményeik feltárják a génszabályozásban fontos kromatinjelek halmazának okozati szerepét.

Főbb megállapítások és jövőbeli irányok

A kutatók például új szerepet találtak a H3K4me3-nak, egy kromatinjelnek, amelyről korábban azt hitték, hogy a transzkripció következménye. Megjegyezték, hogy a H3K4me3 önmagában is növelheti a transzkripciót, ha mesterségesen hozzáadják a DNS meghatározott helyeihez.

„Ez egy nagyon izgalmas és váratlan eredmény volt, amely minden várakozásunknak ellentmond” – mondta Christina Policarpi, Hackett csoportjának posztdoktori kutatója és a tanulmány vezető tudósa. „Adataink egy összetett szabályozási hálózatra mutatnak rá, ahol több szabályozó tényező kölcsönhatásban befolyásolja a génexpressziós szintet egy adott sejtben. Ezek a tényezők magukban foglalják a kromatin már meglévő szerkezetét, a mögöttes DNS-szekvenciát és a genomban való elhelyezkedést.

Lehetséges alkalmazások és jövőbeli kutatások

Hackett és kollégái jelenleg azt vizsgálják, hogyan lehet hasznosítani ezt a technológiát egy ígéretes startup projekten keresztül. A következő lépés ezeknek a következtetéseknek a megerősítése és kiterjesztése lesz a gének különböző sejttípusokon és széles skálán történő megcélzásával. Még tisztázni kell, hogy a kromatin jelek hogyan befolyásolják a transzkripciót a géndiverzitáson és a downstream mechanizmusokon keresztül.

„Moduláris epigenetikai szerkesztő eszköztárunk egy új kísérleti megközelítést jelent a genom és az epigenom közötti összefüggések feltárására” – mondta Jamie Hackett, az EMBL Rome csoportvezetője. „A rendszer a jövőben felhasználható arra, hogy pontosabban megértsük az epigenomikus változások jelentőségét a génaktivitás befolyásolásában a fejlődés során és az emberi betegségekben. Másrészt ez a technológia lehetővé teszi a kívánt génexpressziós szintek programozását hangolható módon. Ez egy izgalmas út az alkalmazásokhoz.

Hivatkozás: „A törzsgenom szerkesztése megragadja a kromatin-módosítások kontextusfüggő oktató funkcióját” 2024. május 9., Természet genetika.
doi: 10.1038/s41588-024-01706-s