Enkeltcelleforskning sætter fokus på rollen som DNA-methylering i beslutninger om celleskæbne

Forskning med anvendelse af enkeltcelleanalyseteknikker og sammenligninger med en celleatlasressource gjorde det muligt for forskere ved Babraham Institute at forbinde observerede udviklingsdefekter forårsaget af forstyrrede DNA-methyleringsprocesser med en forståelse af de berørte celletyper. Dette værk, udgivet i Genome Biology , bygger på tidligere arbejde udført med samarbejdspartnere for at etablere et detaljeret celleatlas, der kortlægger celleskæbne gennem tidlig udvikling. Dette arbejde bidrager med vigtig ny viden til at forstå rollen af ​​DNA-methylering under embryogenese, og hjælper med at tyde de regler, der styrer, hvordan forskellige celletyper opstår. En forståelse af disse regler vil være afgørende for, at forskere præcist og sikkert kan styre celleskæbnen til at producere klinisk relevante celletyper til regenerativ medicin.

Forskning fra Reik labat Babraham Institute har fremmet vores forståelse af rollen af ​​DNA-methylering under de tidligere udviklingsstadier. Teknologiske fremskridt på dette område, der giver mulighed for at indsamle parallelle datatyper fra en enkelt celle og eksistensen af ​​celleatlas-referencer og omfattende datasæt, revolutionerer, hvad vi ved om de processer, der bestemmer cellers skæbne. At belyse reglerne for, hvordan forskellige celletyper dannes, har anvendelser i regenerativ medicin såvel som i forståelsen af ​​udviklingsforstyrrelser og sygdom.

Sletningen og genindførelsen af ​​DNA-methylering er kendt for at være afgørende for at etablere celleidentitet, når væv og organer i embryonet dannes. Sletning af vigtige methyleringsenzymer hos mus forårsager i nogle tilfælde alvorlige udviklingsdefekter og embryodødelighed. På trods af vigtigheden af ​​DNA-methylering i udviklingen, er de underliggende mekanismer for, hvordan dette opnås, dårligt forstået. Dette skyldes begrænsninger af den information, forskere tidligere kunne indsamle for at forstå virkningerne af ændringer i de sædvanlige processer af DNA-methylering under udvikling, som var begrænset til analyse af udviklingsdefekter, prøvebilleddannelse og begrænset genom-dækkende analyse ved hjælp af bulkprøver. Disse metoder var ikke tilstrækkelige til at løse virkninger på niveauet af forskellige celletyper.

Ved hjælp af mus, hvor vigtige methyleringsenzymer blev slettet, udførte forskere fra Reik-laboratoriet i Instituttets Epigenetik-program enkeltcelle-genekspressionsanalyse ved starten af ​​organudviklingen, som sker på dag 8.5 efter befrugtning. Ved at udnytte kraften i enkeltcellede tilgange var forskerne i stand til at følge, hvilke celletyper der var påvirket, i form af ikke at være i stand til at dannes i musefosteret, hvilket tyder på mekanismerne bag virkningerne set på en hel-organisme-skala.

Forskningen brugte genetisk modificerede mus, hvor to nøglegrupper af methyleringsenzymer blev slettet:knock-out muselinjer, hvor DNA-methyltransferaser (DNMT 1, 3a og 3b), som introducerer og opretholder DNA-methylering, blev slettet individuelt, og et system til at undersøge virkningerne af en kombineret deletion af alle tre TET-enzymer (ten-elleve translokation (TET) methylcytosindioxygenaser) 1/2/3), som forårsager demethylering.

Dr. Stephen Clark, en seniorforsker i Reik-laboratoriet, da denne forskning blev foretaget, sagde:"Brugen af ​​enkeltcellede tilgange giver virkelig den opløsning, vi har brug for til at studere mekanikken bag DNA-methylering under udvikling. Det billede, vi var i stand til at at opbygge bekræfter den undertrykkende rolle af DNA-methylering på dette udviklingstidspunkt, for det første at opretholdelse af korrekt DNA-methylering er påkrævet for at undertrykke tidligere og alternative celletypeidentiteter, og for det andet at DNA-methylering skal fjernes fra dele af genomet for at tillade visse celler typer til at danne."

En teknik kaldet enkeltcellet RNA-sekventering blev brugt til at måle genekspression på tværs af genomet i hver muselinje. Sammenligning af disse ekspressionsprofiler med et referencedatasæt gjorde det muligt at identificere alle celletyper af embryonet. Efter dette trin kunne effekten af ​​methyleringsforstyrrelser på celleskæbne vurderes ved at sammenligne sammensætningen af ​​knock-out-embryonerne (hvor methyleringsenzymer blev slettet) med vildtype-embryoner på samme udviklingstrin for at fremhæve forskelle i celletype proportioner.

Forskerne var i stand til at korrelere virkninger på celletypedannelse på dag 8.5 af udviklingen, som matchede observerede fænotyper og analysere celletypespecifikke ændringer i genekspression, der kunne være forbundet med defekter i celleskæbneforpligtelse.

Dr. Ricard Argelaguet, en tidligere postdoktor i Reik-laboratoriet ved Instituttet og medførsteforfatter på papiret, sagde:"Evnen til både at have hele organismens perspektiv og granulariteten i at observere ændringer i celletyper og genekspression har givet os muligheden for at skille rollen af ​​DNA-methylering og demethylering i det udviklende embryo på dette bestemte tidspunkt for at skabe ny indsigt. Det vil være lige så interessant at anvende denne tilgang til senere tidspunkter for at forstå mere om rollen af ​​DNA-methylering efterhånden som udviklingen skrider frem."

Forskningen har skabt en interaktiv dataplatform, der giver genekspressionsudlæsninger på enkeltcelleniveau fra Dnmt- og Tet-mutante musembryoner.

Professor Wolf Reik, direktør for Altos Cambridge Institute of Science, som ledede forskningen, mens en gruppeleder i Epigenetics-programmet ved Babraham Institute, sagde:"Denne forskning giver en rig ressource til at undersøge sammenhængen mellem DNA-methylering og etablering af celle skæbne. Denne forskning drage fordel af publicerede datasæt og referenceatlas, og vi håber, at vores arbejde til gengæld er til nytte for andre forskere inden for både udviklings- og epigenetikområdet." + Udforsk yderligere

Ny metode booster studiet af regulering af genaktivitet