Nová platforma na úpravu epigenómu umožňuje presné programovanie epigenetických modifikácií

Výskumníci vyvinuli novú platformu na úpravu epigenómu, ktorá umožňuje presnú manipuláciu s chromatínovými značkami, odhaľuje ich priame účinky na génovú expresiu a spochybňuje predchádzajúce pochopenie mechanizmov génovej regulácie.

Štúdia od skupiny Hackett v EMBL v Ríme viedla k vývoju výkonnej epigenetickej editačnej techniky, ktorá odomyká schopnosť presne programovať modifikácie chromatínu.

Pochopenie toho, ako sú gény regulované na molekulárnej úrovni, je ústrednou výzvou v modernej biológii. Tento komplexný mechanizmus je poháňaný predovšetkým interakciami medzi proteínmi nazývanými transkripčné faktory, dna regulačné oblasti a epigenetické modifikácie – chemické zmeny, ktoré menia štruktúru chromatínu. Súbor epigenetických modifikácií bunkového genómu sa nazýva epigenóm.

Pokroky v úprave epigenómu

V štúdii zverejnenej dnes (9. mája) genetika prírodyVedci zo skupiny Hackett v Európskom laboratóriu molekulárnej biológie (EMBL) v Ríme vyvinuli modulárnu platformu na úpravu epigenómu – systém na programovanie epigenetických modifikácií na akomkoľvek mieste v genóme. Systém umožňuje vedcom študovať vplyv každej modifikácie chromatínu na transkripciu, mechanizmus, ktorým sa gény skopírujú do mRNA, aby poháňali syntézu proteínov.

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

Konštruktívna ilustrácia súpravy nástrojov na úpravu epigenetiky: každá budova predstavuje epigenetický stav jedného génu (tmavé okná sú umlčané gény, rozsvietené okná sú aktívne gény). Crane predstavuje epigenetický editačný systém, ktorý umožňuje de novo ukladanie chromatínových značiek na akékoľvek miesto genómu. Marzia Munafo

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 špecifických génov, ktoré sú narušené, vedci priradili funkcie takýmto chromatínovým značkám.

Ukázalo sa však, že určenie kauzálneho vzťahu medzi chromatínovými značkami a génovou reguláciou je ťažké. Výzva spočíva v rozbore jednotlivých príspevkov mnohých komplexných faktorov zapojených do takejto regulácie – chromatínových značiek, transkripčných faktorov a regulačných sekvencií DNA.

Prelomový úspech v technológii úpravy epigenómu

Vedci zo skupiny Hackett vyvinuli modulárny systém na úpravu epigenómu na presné naprogramovanie deviatich biologicky dôležitých chromatínových značiek do akejkoľvek požadovanej oblasti v genóme. Systém je založený na CRISPR – široko používanej technike úpravy genómu, ktorá umožňuje výskumníkom vykonávať zmeny na konkrétnych miestach DNA s vysokou presnosťou a presnosťou. presnosť,

Takéto presné 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 série dôležitých chromatínových značiek v génovej regulácii.

Kľúčové zistenia a budúce smerovanie

Napríklad výskumníci našli novú úlohu pre H3K4me3, chromatínovú značku, o ktorej sa predtým myslelo, že je výsledkom transkripcie. Zistili, že H3K4me3 môže skutočne zvýšiť samotnú transkripciu, ak sa umelo pridá do špecifických umiestnení DNA.

„Bol to mimoriadne vzrušujúci a neočakávaný výsledok, ktorý bol v rozpore so všetkými našimi očakávaniami,“ povedala Christina Policarpi, postdoktorka v skupine Hackett a vedúca vedkyňa štúdie. „Naše údaje poukazujú na komplexnú regulačnú sieť, v ktorej interaguje viacero regulačných faktorov na kontrolu hladín 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 start-up podniku. Ďalším krokom bude potvrdenie a rozšírenie týchto zistení zameraním sa na rôzne typy buniek a gény vo väčšom meradle. Zostáva tiež objasniť, ako chromatínové značky ovplyvňujú génovú diverzitu a transkripciu v následných mechanizmoch.

„Naša modulárna súprava nástrojov na epigenetickú úpravu vytvára nový experimentálny prístup k rozboru interakcií medzi genómom a epigenómom,“ povedal Jamie Hackett, vedúci skupiny v EMBL Rome. „Tento systém možno v budúcnosti použiť na presnejšie pochopenie významu epigenomických zmien pri ovplyvňovaní génovej aktivity počas vývoja a pri chorobách človeka. Na druhej strane technológia tiež odomyká schopnosť programovať požadované úrovne génovej expresie vysoko laditeľným spôsobom. Toto je vzrušujúca príležitosť pre presné zdravotné aplikácie a môže sa ukázať ako užitočná pri chorobách.

Odkaz: „Editácia stematického epigenómu zachytáva kontextovo závislú inštruktážnu funkciu modifikácií chromatínu“ 9. mája 2024, genetika prírody,
DOI: 10.1038/s41588-024-01706-w