Эти данные являются бесценным ресурсом для открытия до сих пор неизвестного клеточного происхождения ретинобластомы — самого распространенного рака глаза у детей. Ученые также могут изучить данные о путях, которые вызывают заболевания сетчатки у взрослых, такие как возрастная дегенерация желтого пятна и пигментный ретинит.Исследователи возглавлялись Майклом Дайером, доктором философии, исследователем Медицинского института Говарда Хьюза и заведующим кафедрой нейробиологии отдела развития Сент-Джуда. Работа опубликована в номере журнала Neuron от 3 мая.
Эпигенетический контроль — это молекулярные переключатели, которые включают или выключают гены, чтобы управлять развитием клетки от обычной клетки к специализированной клетке, такой как нейрон. В то время как «геном» тысяч отдельных генов подобен данным, хранящимся на диске компьютера, «эпигеном» подобен компьютерной программе, которая контролирует, как считываются сохраненные данные.Исследователи знают, что эпигенетические сбои могут приводить к раку и дегенеративным заболеваниям, но они не взломали «эпигенетический код» — специфические изменения в организации ядра, которые заставляют каждый тип клетки дифференцироваться от клетки-предшественника к специализированной клетке.
Исследователи использовали инструменты эпигеномного анализа, чтобы отследить конкретные эпигенетические переключатели, контролирующие каждый из тысяч генов в клетках сетчатки как мыши, так и человека по мере того, как клетки прогрессируют в процессе развития.По словам Дайера, анализ данных выявил сюрпризы в отношении эпигенетических процессов развития нейронов сетчатки.
Одним из таких сюрпризов была относительная важность двух типов эпигенетических переключателей управления для развития сетчатки. Одним из способов контроля является метилирование ДНК, которое представляет собой химическое изменение гена, которое включает или выключает его. Другой контрольный переключатель — это гистоновая модификация.
Гистоны — это белки, которые служат каркасом для свертывания ДНК в узком пространстве ядра.«Исследовательское сообщество считало, что метилирование ДНК является главным эпигенетическим регулятором», — сказал Дайер. «Но, к нашему удивлению, только небольшой процент изменений в экспрессии генов во время развития имел какую-либо корреляцию с метилированием ДНК. Именно на уровне гистонов мы наблюдали действительно глубокие изменения во время дифференцировки».
Другое неожиданное открытие, по словам Дайера, было моментом в процессе развития, когда незрелые клетки переходили от образования новой ткани путем быстрого деления к дифференцировке в зрелый нейрон сетчатки.«Это как щелкнуть гигантским переключателем», — сказал Дайер. «На раннем этапе развития все клетки являются незрелыми предшественниками, которые быстро растут и делятся.
Затем, когда эти клетки перестают расти и начинают становиться нейронами, произошел резкий сдвиг в эпигеноме». Мы думали, что клетки будут активно останавливать рост этих предшественников. — сказал он. — Но вместо этого многие из этих генов просто перешли из очень активного состояния в то, что мы называем «пустым» состоянием. В камере не было предпринято никаких особых усилий, чтобы их отключить.
С другой стороны, те гены, необходимые для дифференцировки, которые были репрессированы в клетках-предшественниках, лишились своей эпигенетической репрессии ».По словам Дайера, картирование эпигенетических изменений в развивающихся клетках мыши и человека с ретинобластомой дало аналогичные важные выводы. «Мы до сих пор не знаем, какой тип клеток вызывает ретинобластому», — сказал он. «Опухолевые клетки имеют смешанную программу клеток-предшественников и нейронов. Похоже, что они застряли на стадии, когда эпигенетический переключатель обычно переключается на переход от предшественников к нейронам.
«Хотя это исследование не может ответить на вопрос о происхождении, оно сузило окно развития, когда нормальная клетка становится опухолевой», — сказал он. «Я бы предположил, что это будет очень рано, когда предок будет быстро делиться. Но мы обнаружили, что точка принятия решения была в период, когда клетки переходили от быстрого роста к дифференцировке. Это понимание позволит нам сосредоточиться на этом этап, чтобы лучше понять, как возникают ретинобластомы ».
Роберт Фултон, директор по развитию технологий в Институте генома Макдоннелла Вашингтонского университета, внес свой вклад в секвенирование и анализ данных: «Это исследование является прекрасным примером ценности всестороннего геномного анализа и понимания, которое может быть получено путем тщательного, хорошо спланированные исследования. Чтобы действительно понять происхождение ретинобластомы, нам нужно выйти за рамки генов, чтобы понять, как эпигенетические изменения вызывают рак ».
Новые эпигеномные данные также позволят ученым искать эпигенетические аномалии, лежащие в основе заболеваний сетчатки у взрослых, сказал Дайер.«Есть пациенты с заболеваниями сетчатки, у которых не обнаруживаются генные мутации, которые, как мы знаем, ответственны за заболевание», — сказал он. «Вместо этого у этих людей могут быть мутации в эпигенетическом контроле, называемом« энхансерами ». Мы предоставили первую карту этих энхансеров в сетчатке, чтобы исследователи могли обнаружить такие мутации ».Дайер и его коллеги также нанесли на карту трехмерную организацию эпигенома сетчатки, чтобы выяснить, как клетки сетчатки упаковывают свои гены в концентрические области ядра клетки. Организация делает одни гены более доступными, чем другие, для включения и выключения.
«Это как собрать чемодан для поездки», — сказал он. «Вы кладете нужную одежду в чемодан, чтобы взять с собой; но те, которые вам не нужны, вы оставляете в туалете. В наших исследованиях мы пытаемся расшифровать функциональное значение того, почему клетка сетчатки содержит некоторые гены. прочь и делает других более доступными.«Все наши данные будут служить ключевым ресурсом для исследователей, изучающих конкретные вопросы о развитии и заболеваниях сетчатки», — сказал Дайер.
Чтобы сделать данные доступными для других исследователей, он загрузил их на ProteinPaint, веб-портал Сент-Джуда, который дает ученым по всему миру доступ к огромному количеству геномных данных по раку.Помимо старшего автора Дайера, соавторами статьи были Иссам Алдири и Бейси Сюй, оба из Сент-Джуда. Другими авторами были Лу Ван, Даниэль Хилер, Лира Гриффитс, Мари-Элизабет Барабас, Цзякун Чжан, Сян Чен, Синь Чжоу, Джон Истон, Цзинхуэй Чжан, Марк Валентайн, Аббас Ширинифард, Суреш Тиагараджан, Андрас Саблауэр, Шарон Фрейз и Джеймс.
Р. Даунинг, весь Сент-Джуд; Дайанна Джонсон из Центра медицинских наук Университета Теннесси; и Элейн Мардис и Ричард Уилсон из Медицинского факультета Вашингтонского университета в Сент-Луисе.Эта работа частично финансировалась Медицинским институтом Говарда Хьюза, Национальным институтом рака (CA21765), Национальными институтами здравоохранения (EY014867, EY018599 и CA168875), Фондом Алекса для лечения детского рака с лимонадом, Семейным фондом Талли, Фондом Петерсона.
Foundation и ALSAC, организация по сбору средств и повышению осведомленности о Сент-Джуде.