Новая технология позволяет исследователям включать промоторы и энхансеры определенных генов — части генома, которые контролируют активность генов — путем химического воздействия на белки, которые упаковывают ДНК. Эта сеть биомолекул, которая поддерживает и контролирует активность генов, известна как эпигеном.Исследователи говорят, что способность управлять эпигеномом поможет им изучить роли, которые конкретные промоторы и энхансеры играют в судьбе клеток или в риске генетических заболеваний, и это может открыть новые возможности для генной терапии и управления дифференцировкой стволовых клеток.Исследование появится в Интернете 6 апреля в журнале Nature Biotechnology.
«Эпигеном — это все, что связано с геномом, кроме фактической генетической последовательности, и он так же важен, как и наша ДНК, в определении функции клеток в здоровых и болезненных условиях», — сказал Чарльз Герсбах, доцент кафедры биомедицинской инженерии в Duke. «Это становится очевидным, если учесть, что у нас более 200 типов клеток, и все же ДНК в каждом практически одинакова. Эпигеном определяет, какие гены каждая клетка активирует и в какой степени».Этот генетический кукловод состоит из белков, упаковывающих ДНК, называемых гистонами, и множества химических модификаций — либо этих гистонов, либо самой ДНК, — которые помогают определить, включен или выключен ген.
Но команде Герсбаха не пришлось изменять сами гены, чтобы получить какой-то контроль.«Рядом с каждым геном находится последовательность ДНК, называемая промотором, которая контролирует его активность», — пояснил Герсбах. «Но есть также много других частей генома, называемых энхансерами, которые вообще не находятся рядом с какими-либо генами, и тем не менее они также играют решающую роль в влиянии на активность генов».
Тимоти Редди, доцент кафедры биостатистики и биоинформатики в Duke, провел большую часть десятилетия, картируя миллионы этих энхансеров в геноме человека. Однако не было хорошего способа выяснить, чем именно занимается каждый из них. Энхансер может повлиять на соседний ген или несколько генов в геноме, а может и вообще ни на один.Чтобы активировать эти энхансеры и посмотреть, что они делают, Редди подумал, что, возможно, ему удастся химически изменить гистоны в энхансерах, чтобы включить их.
«Уже есть лекарства, которые воздействуют на усилители по всему геному, но это как опалять землю», — сказал Редди. «Я хотел разработать инструменты для изменения очень специфических эпигенетических меток в очень специфических местах, чтобы выяснить, что делают отдельные энхансеры».Редди обнаружил эту специфичность, объединившись с Герсбахом, своим соседом в Центре геномной и вычислительной биологии Герцога, который специализируется на системе нацеливания на гены под названием CRISPR. Первоначально обнаруженная как естественная противовирусная система у бактерий, исследователи за последние несколько лет захватили эту систему и теперь используют ее для вырезания и вставки последовательностей ДНК в геном человека.Для этого приложения для редактирования эпигенома Герсбах заглушил механизм CRISPR, разрезавший ДНК, и использовал его исключительно в качестве системы нацеливания для доставки фермента (ацетилтрансферазы) к конкретным промоторам и энхансерам.
«Это похоже на то, что мы используем CRISPR, чтобы найти генетический адрес, чтобы мы могли изменить упаковку ДНК в этом конкретном месте», — сказал Редди.Герсбах и Редди проверили свой искусственный эпигенетический агент, нацелившись на несколько хорошо изученных промоторов и энхансеров генов.
Хотя эти модификации гистонов долгое время были связаны с активностью генов, было неясно, достаточно ли их для включения генов. И хотя Герсбах и Редди ранее использовали другие технологии для активации промоторов генов, они не смогли успешно активировать энхансеры.К большому удивлению дуэта, агент не только активировал промоторы генов, но и включил соседние гены лучше, чем их предыдущие методы. Не менее удивительным было то, что он работал и с энхансерами: они могли включать ген — или даже семейства генов — направляя энхансеры в отдаленные участки генома — чего не могли сделать их предыдущие активаторы генов.
Но настоящий ажиотаж от их результатов — это появляющаяся способность исследовать миллионы потенциальных усилителей таким способом, который раньше был невозможен.«Некоторые генетические заболевания просты — если у вас есть мутация в определенном гене, значит, у вас есть болезнь», — сказал Исаак Хилтон, научный сотрудник лаборатории Герсбаха и первый автор исследования. «Но многие заболевания, такие как рак, сердечно-сосудистые заболевания или нейродегенеративные состояния, имеют гораздо более сложный генетический компонент. Многие различные вариации в последовательности генома могут повлиять на ваш риск заболевания, и эта генетическая вариация может происходить в этих энхансерах, которые идентифицировал Тим, где они могут изменять уровни экспрессии генов.
С помощью этой технологии мы можем исследовать, что именно они делают и как это связано с болезнью или реакцией на лекарственную терапию ».Герсбах добавил: «Вы не только сможете начать отвечать на эти вопросы, но и сможете использовать эту технику для генной терапии, чтобы активировать гены, которые были отключены ненормально, или контролировать пути, по которым стволовые клетки превращаются в разные типы клеток.
Это все направления, которыми мы будем следовать в будущем ».Эта работа была поддержана Национальными институтами здравоохранения (R01DA036865, U01HG007900, DP2OD008586, P30AR066527) и Национальным научным фондом (CBET-1151035).