Team udvikler et epigenomredigeringsværktøj til at dissekere genreguleringsmekanismerne

At forstå hvordan gener reguleres på molekylært niveau er en central udfordring i moderne biologi. Denne komplekse mekanisme er hovedsageligt drevet af interaktionen mellem proteiner kaldet transkriptionsfaktorer, DNA-regulerende regioner og epigenetiske modifikationer - kemiske ændringer, der ændrer kromatinstrukturen. Sættet af epigenetiske modifikationer af en celles genom omtales som epigenomet.

I en undersøgelse netop offentliggjort i Nature Genetics , har forskere fra Hackett-gruppen ved EMBL Rom udviklet en modulær epigenom-redigeringsplatform - et system til at programmere epigenetiske modifikationer på ethvert sted i genomet. Systemet giver forskere mulighed for at studere virkningen af ​​hver kromatinmodifikation på transkription, den mekanisme, hvorved gener kopieres til mRNA for at drive proteinsyntese.

Kromatinmodifikationer menes at bidrage til reguleringen af ​​vigtige biologiske processer såsom udvikling, respons på miljøsignaler og sygdom.

For at forstå virkningerne af specifikke kromatinmærker på genregulering har tidligere undersøgelser kortlagt deres fordeling i genomerne af raske og syge celletyper. Ved at kombinere disse data med genekspressionsanalyse og de kendte virkninger af forstyrrende specifikke gener, har videnskabsmænd tilskrevet funktioner til sådanne kromatinmærker.

Årsagssammenhængen mellem kromatinmærker og genregulering har dog vist sig at være svær at bestemme. Udfordringen ligger i at dissekere de individuelle bidrag fra de mange komplekse faktorer, der er involveret i en sådan regulering - kromatinmærker, transkriptionsfaktorer og regulatoriske DNA-sekvenser.

Forskere fra Hackett-gruppen udviklede et modulært epigenom-redigeringssystem til præcist at programmere ni biologisk vigtige kromatinmærker i enhver ønsket region i genomet. Systemet er baseret på CRISPR – en udbredt genomredigeringsteknologi, der gør det muligt for forskere at foretage ændringer på specifikke DNA-placeringer med høj præcision og nøjagtighed.

Sådanne præcise forstyrrelser gjorde dem i stand til omhyggeligt at dissekere årsag-og-følge-forhold mellem kromatinmærker og deres biologiske virkninger. Forskerne designede og brugte også et "reportersystem", som gjorde det muligt for dem at måle ændringer i genekspression på enkeltcelleniveau og forstå, hvordan ændringer i DNA-sekvensen påvirker virkningen af ​​hvert kromatinmærke. Deres resultater afslører de kausale roller af en række vigtige kromatinmærker i genregulering.

For eksempel fandt forskerne en ny rolle for H3K4me3, et kromatinmærke, der tidligere blev antaget at være et resultat af transskription. De observerede, at H3K4me3 faktisk kan øge transkriptionen af ​​sig selv, hvis det kunstigt tilføjes til specifikke DNA-lokationer.

"Dette var et ekstremt spændende og uventet resultat, der gik imod alle vores forventninger," sagde Cristina Policarpi, postdoc i Hackett Group og førende videnskabsmand i undersøgelsen. "Vores data peger mod et komplekst regulatorisk netværk, hvor flere styrende faktorer interagerer for at modulere niveauerne af genekspression i en given celle. Disse faktorer omfatter den allerede eksisterende struktur af kromatinet, den underliggende DNA-sekvens og placeringen i genom."

Hackett og kolleger undersøger i øjeblikket muligheder for at udnytte denne teknologi gennem et lovende opstartsprojekt. Det næste trin vil være at bekræfte og udvide disse konklusioner ved at målrette gener på tværs af forskellige celletyper og i skala. Hvordan kromatinmærker påvirker transkription på tværs af mangfoldigheden af ​​gener og nedstrømsmekanismer, mangler også at blive afklaret.

"Vores modulære epigenetiske redigeringsværktøjssæt udgør en ny eksperimentel tilgang til at dissekere de gensidige forhold mellem genomet og epigenomet," sagde Jamie Hackett, gruppeleder ved EMBL Rome. "Systemet kan bruges i fremtiden til mere præcist at forstå vigtigheden af ​​epigenomiske ændringer i påvirkning af genaktivitet under udvikling og i menneskelig sygdom.

"På den anden side låser teknologien også op for evnen til at programmere ønskede genekspressionsniveauer på en meget afstembar måde. Dette er en spændende vej til præcise sundhedsapplikationer og kan vise sig nyttig i sygdomsmiljøer."

Flere oplysninger: Systematisk epigenomredigering fanger den kontekstafhængige instruktive funktion af kromatinmodifikationer, naturgenetik (2024). DOI:10.1038/s41588-024-01706-w

Journaloplysninger: Naturgenetik

Leveret af European Molecular Biology Laboratory