Новата платформа за редактиране на епигенома позволява прецизно програмиране на епигенетични модификации

Проучване от групата на Hackett в EMBL Рим доведе до разработването на мощна техника за редактиране на гени, която отваря способността за прецизно програмиране на модификации на хроматина.

Разбирането как гените се регулират на молекулярно ниво е голямо предизвикателство в съвременната биология. Този сложен механизъм се задвижва главно от взаимодействието между протеини, наречени транскрипционни фактори, ДНК Регулаторни региони и епигенетични модификации – химични промени, които променят структурата на хроматина. Съвкупността от епигенетични модификации на генома на клетката се нарича епигеном.

Напредък в редактирането на епигенома

В проучване, публикувано днес (9 май) в Природна генетикаУчени от групата на Хакет в Европейската лаборатория по молекулярна биология (EMBL) в Рим са разработили модулна платформа за редактиране на генома – система за програмиране на епигенетични модификации навсякъде в генома. Системата позволява на учените да изследват ефекта на всяка хроматинова модификация върху транскрипцията, механизмът, чрез който гените се транскрибират в иРНК, за да катализират протеиновия синтез.

Смята се, че модификациите на хроматина допринасят за регулирането на ключови биологични процеси като развитие, отговор на сигнали от околната среда и болести.

Творческа илюстрация на набора от инструменти за епигенетично редактиране: Всяка сграда представлява епигенетичното състояние на един ген (тъмните прозорци са тихи гени, светлите прозорци са активни гени). Лостът демонстрира епигенетичната система за редактиране, която позволява de novo отлагане на хроматинови белези на всяко геномно място. Марция Монафо

За да се разберат ефектите на специфични хроматинови белези върху генната регулация, предишни проучвания са картографирали тяхното разпределение в геномите на здрави и болни видове клетки. Чрез комбиниране на тези данни с анализ на генната експресия и известните ефекти от смущаващи специфични гени, учените са приписали функции на тези хроматинови белези.

Въпреки това се оказа трудно да се определи причинно-следствената връзка между хроматиновите белези и генната регулация. Предизвикателството е да се анализират индивидуалните приноси на много сложни фактори, включени в такава регулация – хроматинови белези, транскрипционни фактори и регулаторни ДНК последователности.

Пробив в технологията за редактиране на епигенома

Учените от групата на Хакет са разработили модулна система за редактиране на генома, за да програмират прецизно девет биологично важни хроматинови белега във всеки желан регион на генома. Системата е базирана на CRISPR – широко използвана технология за редактиране на генома, която позволява на изследователите да правят модификации на специфични места на ДНК с висока точност и точност.

Такива фини смущения им позволяват внимателно да анализират причинно-следствените връзки между хроматиновите белези и техните биологични ефекти. Учените също проектират и използват „репортерна система“, която им позволява да измерват промените в генната експресия на ниво една клетка и да разберат как промените в ДНК последователността влияят върху ефекта на всяка хроматинова марка. Техните резултати разкриват причинно-следствените роли на набор от хроматинови белези, важни за генната регулация.

Основни констатации и бъдещи насоки

Например, изследователите са открили нова роля за H3K4me3, хроматинова маркировка, за която преди се смяташе, че е следствие от транскрипция. Те отбелязват, че H3K4me3 може действително да увеличи транскрипцията сам, ако бъде изкуствено добавен към специфични места в ДНК.

„Това беше много вълнуващ и неочакван резултат, който се противопостави на всичките ни очаквания“, каза Кристина Поликарпи, постдокторант в групата на Хакет и водещ учен в изследването. „Нашите данни сочат към сложна регулаторна мрежа, където множество управляващи фактори взаимодействат, за да модулират нивата на генна експресия в дадена клетка. Тези фактори включват предварително съществуващата структура на хроматина, основната ДНК последователност и местоположението в генома.

Потенциални приложения и бъдещи изследвания

Хакет и колегите му в момента проучват начини да използват тази технология чрез обещаващ стартиращ проект. Следващата стъпка ще бъде потвърждаването и разширяването на тези заключения чрез насочване към гени в различни типове клетки и в широк мащаб. Остава да бъде изяснено как хроматиновите марки влияят на транскрипцията чрез генно разнообразие и механизми надолу по веригата.

„Нашият модулен набор от инструменти за епигенетично редактиране представлява нов експериментален подход за дисекция на взаимовръзките между генома и епигенома“, каза Джейми Хакет, ръководител на групата в EMBL Рим. „Системата може да се използва в бъдеще, за да се разбере по-точно значението на епигеномните промени за повлияване на генната активност по време на развитие и при човешки заболявания регулируем начин.“ Точните ползи за здравето могат да бъдат полезни в случаи на заболяване.

Референция: „Редактирането на генома на ствола улавя зависимата от контекста инструктивна функция на модификациите на хроматина“ 9 май 2024 г., Природна генетика.
doi: 10.1038/s41588-024-01706-s