Мощный инструмент для детального анализа регуляции генов

от

Понимание того, как клетки включают и выключают гены, является одной из самых устойчивых загадок биологии. Новая технология, разработанная химиком Брайаном Ляу и его коллегами из Гарварда, открывает беспрецедентные возможности для изучения этой активности. Это открытие может изменить наше понимание фундаментальной науки, а также подходы к лечению генетических заболеваний.

В статье, опубликованной в журнале Nature Methods, авторы представляют мощный инструмент для картирования генома, который показывает, как крошечные изменения в ДНК могут изменять способ контроля генов.

Новая платформа TDAC-seq (Targeted Deaminase Accessible Chromatin sequencing) позволяет исследователям увидеть на уровне отдельных нуклеотидов, как сотни генетических изменений влияют на структуру хроматина — динамичной упаковки ДНК, которая определяет, какие гены доступны для клеточного механизма.

Ранее учёные в основном фокусировались на крошечной части ДНК, которая непосредственно создаёт белки. Теперь TDAC-seq помогает им наконец изучить «тёмную материю» нашего генетического кода — некодирующую ДНК, которая составляет около 98% генома и помогает регулировать активность генов.

«Этот новый и инновационный метод — настоящий тур-де-форс, предлагающий беспрецедентный взгляд на элементы ДНК, которые управляют нашим геномом», — сказал Дэвид Лю, профессор естественных наук имени Томаса Дадли Кэбота. «Эта работа не только ускорит наше базовое понимание того, как работают эти переключатели, но и покажет нам, как их можно использовать для пользы пациентов в будущем».

Исследования проводились членами лаборатории Ляу, включая Хиджин Ро и Саймона Шена, аспирантов Высшей школы искусств и наук имени Кеннета С. Гриффина, а также Хуэй Си Квок, постдокторанта. Группа сотрудничала с Джейсоном Д. Буэнростро, профессором биологии стволовых клеток и регенеративной биологии, и его бывшим аспирантом Яном Ху, который помогал с вычислительным анализом.

Исследователи начали с большого вопроса: можем ли мы найти способ протестировать сотни изменений генетических переключателей одновременно и измерить их эффекты в реальных клетках?

«Мы хотели разработать стратегию, позволяющую систематически мутировать эти некодирующие элементы с помощью CRISPR, чтобы выяснить, как они работают, — сказал Ляу. — Проблема заключалась в том, что у нас не было инструментов для этого, поэтому нам пришлось их изобрести».

Инновация лаборатории Ляу была сосредоточена на ферменте DddA, обнаруженном у бактерий, который маркирует открытую ДНК, преобразуя одно основание, цитозин, в тимин — без разрыва цепи ДНК. Наложив эти индуцированные DddA мутации на отредактированную CRISPR ДНК, команда разработала новый способ считывания доступности ДНК в клетках после редактирования генома CRISPR.

«Когда мы начинали проект, DddA был новым, и о нём было очень мало известно, поэтому повышение его скорости мутации в геноме было большой задачей, — сказала Ро. — Мы пробовали разные варианты DddA и оптимизировали условия реакции, пока не достигли достаточно высокой скорости мутаций, чтобы измерить доступность хроматина на уровне отдельных молекул».

Шен, который помогал обрабатывать огромные объёмы данных, генерируемых новой методикой, отметил, что инновации стали ключом к их успеху. «Поскольку это принципиально новый набор данных, который мы собираем, потребовался принципиально новый способ анализа данных, — сказал Шен. — Наш подход был действительно хорош для получения длинных чтений с высоким покрытием в целевых регионах и определения ключевых элементов в некодирующей ДНК».

Чтобы продемонстрировать возможности своего инструмента, учёные применили его к нескольким регуляторным областям, включая ту, что контролирует фетальный гемоглобин — очаг генетических нарушений, таких как серповидноклеточная анемия.

«Мы смогли увеличить фетальный глобин с помощью редактирования генома, что является терапевтической стратегией для лечения серповидноклеточной анемии, а затем измерить результирующие изменения в доступности хроматина, чтобы понять лежащий в основе молекулярный механизм», — сказала Ро.

Ляу видит будущее платформы TDAC-seq в использовании её для скрининга потенциальных стратегий генной терапии, разработки более точных методов лечения и даже объяснения загадочных связей между вариациями ДНК и риском заболеваний. «Это может оказать большое влияние, потому что большинство вариантов, связанных с заболеваниями, находятся в некодирующих регионах генома», — сказал Ляу, планирующий усовершенствовать TDAC-seq, чтобы она работала в ещё большем количестве типов клеток и ситуаций. «Этот инструмент универсален, поэтому вы можете использовать его для изучения любого переключателя или гена, который изменяется при заболевании».

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте