Новая платформа редактирования эпигенома раскрывает механизмы регуляции генов

Что такое хроматин?

Внутри ядра клетки ДНК обернута вокруг положительно заряженных белков, называемых гистонами, которые плотно прикрепляются к отрицательно заряженной ДНК. Отдельные единицы ДНК со связанными с ними гистонами называются нуклеосомами, которые собираются в высокоорганизованную структуру, называемую хроматином. Известно, что структура хроматина играет ключевую роль в регуляции генов, поскольку она влияет на доступность регуляторных областей ДНК для транскрипционных факторов — белков, которые помогают включать или выключать экспрессию генов. Однако степень, в которой химические модификации ДНК и гистонов, называемые «метками хроматина», способствуют регуляции транскрипции, до сих пор остается неясной.

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

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 воздействия на определенные гены, 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.

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.

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.

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 взаимодействуют многочисленные управляющие факторы, модулирующие уровни экспрессии генов в данной клетке. Эти факторы включают ранее существовавшую структуру хроматина, лежащую в основе последовательность ДНК и расположение в геноме.

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: Поликарпи К., Монафо М., Цайкрис С., Карлини В., Хакетт Дж.А. Систематическое редактирование генома отражает контекстно-зависимую инструктивную функцию модификаций хроматина. Природная генетика. 2024. дои: 10.1038/с41588-024-01706-с

Эта статья была переиздана снизу Материал. Примечание. Материал мог быть отредактирован по объему и содержанию. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь с вышеупомянутым источником. Вы можете ознакомиться с нашей политикой пресс-релизов здесь.