Новая платформа редактирования эпигенома позволяет точно программировать эпигенетические модификации.

Исследование группы Хакетта в EMBL Риме привело к разработке мощного метода редактирования генов, который открывает возможность точно программировать модификации хроматина.

Понимание того, как гены регулируются на молекулярном уровне, является серьезной проблемой современной биологии. Этот сложный механизм в основном обусловлен взаимодействием между белками, называемыми факторами транскрипции. ДНК Регуляторные регионы и эпигенетические модификации – химические изменения, изменяющие структуру хроматина. Совокупность эпигенетических модификаций клеточного генома называется эпигеномом.

Достижения в редактировании эпигенома

В исследовании, опубликованном сегодня (9 мая) в Природная генетикаУченые из группы Хакетта из Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) в Риме разработали модульную платформу редактирования генома — систему для программирования эпигенетических модификаций в любой части генома. Система позволяет ученым изучать влияние каждой модификации хроматина на транскрипцию — механизм, с помощью которого гены транскрибируются в мРНК, катализируя синтез белка.

Считается, что модификации хроматина способствуют регуляции ключевых биологических процессов, таких как развитие, реакция на сигналы окружающей среды и болезни.

Творческая иллюстрация набора инструментов для эпигенетического редактирования: каждое здание представляет эпигенетическое состояние одного гена (темные окна — это молчащие гены, светлые окна — активные гены). Рычаг демонстрирует систему эпигенетического редактирования, которая позволяет de novo наносить метки хроматина на любой участок генома. Марсия Монафо

Чтобы понять влияние определенных меток хроматина на регуляцию генов, предыдущие исследования нанесли на карту их распределение в геномах здоровых и больных типов клеток. Объединив эти данные с анализом экспрессии генов и известными эффектами нарушения определенных генов, ученые приписали функции этим меткам хроматина.

Однако оказалось трудно определить причинную связь между метками хроматина и регуляцией генов. Задача состоит в том, чтобы проанализировать индивидуальный вклад многих сложных факторов, участвующих в такой регуляции – меток хроматина, факторов транскрипции и регуляторных последовательностей ДНК.

Прорыв в технологии редактирования эпигенома

Ученые из группы Хакетта разработали модульную систему редактирования генома, позволяющую точно запрограммировать девять биологически важных меток хроматина в любую желаемую область генома. Система основана на CRISPR — широко используемой технологии редактирования генома, которая позволяет исследователям вносить модификации в определенные участки ДНК с высокой точностью и эффективностью. Точность.

Такие тонкие пертурбации позволили им тщательно проанализировать причинно-следственные связи между метками хроматина и их биологическими эффектами. Ученые также разработали и использовали «репортерную систему», которая позволила им измерить изменения в экспрессии генов на уровне отдельных клеток и понять, как изменения в последовательности ДНК влияют на эффект каждой метки хроматина. Их результаты показывают причинную роль набора меток хроматина, важных в регуляции генов.

Ключевые выводы и будущие направления

Например, исследователи обнаружили новую роль H3K4me3, метки хроматина, которая ранее считалась следствием транскрипции. Они отметили, что H3K4me3 может сам по себе увеличивать транскрипцию, если его искусственно добавить к определенным участкам ДНК.

«Это был очень захватывающий и неожиданный результат, который превзошел все наши ожидания», — сказала Кристина Поликарпи, научный сотрудник группы Хакетта и ведущий научный сотрудник исследования. «Наши данные указывают на сложную регуляторную сеть, в которой множество управляющих факторов взаимодействуют, модулируя уровни экспрессии генов в данной клетке. Эти факторы включают ранее существовавшую структуру хроматина, лежащую в основе последовательность ДНК и расположение в геноме.

Потенциальные применения и будущие исследования

Хакетт и его коллеги в настоящее время изучают способы использования этой технологии в рамках многообещающего стартап-проекта. Следующим шагом будет подтверждение и расширение этих выводов путем воздействия на гены в разных типах клеток и в широком масштабе. Как метки хроматина влияют на транскрипцию посредством разнообразия генов и последующих механизмов, еще предстоит выяснить.

«Наш модульный набор инструментов для эпигенетического редактирования представляет собой новый экспериментальный подход к анализу взаимосвязей между геномом и эпигеномом», — сказал Джейми Хакетт, руководитель группы EMBL в Риме. «Система может быть использована в будущем, чтобы более точно понять важность эпигеномных изменений, влияющих на активность генов во время развития и при заболеваниях человека. С другой стороны, эта технология также открывает возможность программировать желаемые уровни экспрессии генов в высокой степени. настраиваемым образом. Это захватывающее направление для применения». Точная польза для здоровья может быть полезна в случаях заболеваний.

Ссылка: «Редактирование стволового генома отражает контекстно-зависимую инструктивную функцию модификаций хроматина» 9 мая 2024 г., Природная генетика.
doi: 10.1038/s41588-024-01706-s