Новая технология Salk, описанная в журнале Science 4 мая 2017 года, использовалась для моделирования мутаций в эпигеноме, связанных с раком толстой кишки, и для восстановления правильных паттернов метилирования в стволовых клетках, полученных от пациентов, страдающих синдромом Ангельмана (AS). редкое нейродегенеративное заболевание, которое часто ошибочно принимают за аутизм. В дополнение к моделированию и лечению эпигенетических расстройств, эта технология также является многообещающей для изучения человеческого развития и биологии в целом.«Мы воодушевлены тем, сколько новых возможностей открывает эта работа для понимания процессов болезни и разработки новых эффективных методов лечения», — говорит профессор Салка Хуан Карлос Изписуа Бельмонте, старший автор статьи и заведующий кафедрой Роджера Гийемена компании Salk. «Это был гигантский шаг к открытию того, как редактировать геном — эта технология редактирования эпигенома — еще один шаг вперед».Лаборатория Изписуа Бельмонте недавно разработала метод модификации генов в неделящихся клетках, которые составляют большинство тканей взрослого человека.
Новый метод выходит за рамки генов и предназначен для нацеливания на наиболее распространенный тип эпигенетических изменений, называемых метилированием ДНК, при котором химические метки, называемые метильными группами, прикрепляются к ДНК. Обычно эти теги помечают ген как готовый к включению или выключению.
Все больше и больше ученые узнают, что метилирование ДНК участвует в ряде физиологических и патологических процессов, от эмбрионального развития до возникновения определенных заболеваний в более позднем возрасте, включая рак. Исследователи обнаружили способы изменения статуса метилирования коротких последовательностей ДНК, но до сих пор никому не удавалось сделать изменения в широком диапазоне (предварительное условие для правильной активации или инактивации гена).Поскольку 80 процентов ДНК млекопитающих метилировано, лабораторию Изписуа Бельмонте интересовали участки, которые не метилированы. Парадоксально, но эти области часто богаты потенциальными сайтами метилирования и, как правило, находятся рядом с областями генов, где начинается транскрипция генетической информации.
Однако каким-то образом эти области, которые называются CpG-островками, обычно остаются неметилированными.Исследователи предположили, что вмешательство в CpG-островки может вызвать новое метилирование. Чтобы проверить эту гипотезу, команда сначала использовала молекулярные инструменты, чтобы вставить ДНК без CpG в островок рядом с геном MLH1. MLH1 обычно неметилирован, но при его метилировании повышается риск рака толстой кишки.
Команда смогла имитировать аномальное метилирование в гене рака толстой кишки в качестве доказательства принципа, чтобы начать понимать, как аномальное метилирование связано с раком.«Что интересно в островках CpG, так это то, что они сопротивляются метилированию», — говорит Юта Такахаши, научный сотрудник Солка и первый автор статьи. «Но, вводя ДНК, свободную от CpG, мы можем преодолеть механизм, который ее блокирует, а затем вызвать метилирование ДНК всего острова».Зная, что они могут вызвать метилирование там, где ему не место, команда затем попыталась прикрепить метильные метки туда, где они действительно принадлежат геному, но отсутствуют, например, при некоторых заболеваниях.
Синдром Ангельмана (СА) возникает в результате аберрантного метилирования ДНК, которое вызывает потерю белка UBE3A в нейронах. Это приводит к когнитивным нарушениям у пациентов. Используя свою технологию, команда исправила аномальное метилирование ДНК и восстановила уровни белка UBE3A в нейрональных клетках AS в чашке.По мнению исследователей, наиболее захватывающим было то, что все введенные ими паттерны метилирования были стабильными с течением времени, чего нельзя было сказать о других эпигенетических технологиях.
Даже удаление ДНК, свободной от CpG, не повлияло на новое метилирование. Открытие предлагает способ переписать эпигенетические метки на островках CpG, а также дает представление о механизме, с помощью которого островки CpG защищены от метилирования ДНК.
«Замечательно, что мы разработали новую технологию, которая позволяет надежно редактировать метилом ДНК на островах CpG в плюрипотентных стволовых клетках, что поможет в разработке клеточно-замещающей терапии эпигенетических расстройств», — говорит Цзюнь Ву, научный сотрудник Солка и один соавторов газеты. «Но, обнаружив основные механизмы метилирования ДНК, мы надеемся сделать еще больше с помощью этой технологии».