قام الباحثون بتطوير منصة جديدة لتحرير الجينوم تسمح بمعالجة دقيقة لعلامات الكروماتين، وتكشف عن تأثيرها المباشر على التعبير الجيني وتحدي الفهم السابق لآليات تنظيم الجينات.

أدت الأبحاث التي أجرتها مجموعة هاكيت في EMBL Rome إلى تطوير تقنية قوية لتحرير الجينات والتي تفتح القدرة على برمجة تغييرات الكروماتين بدقة.

إن فهم كيفية تنظيم الجينات على المستوى الجزيئي يمثل تحديًا رئيسيًا في علم الأحياء الحديث. هذه الآلية المعقدة مدفوعة بشكل أساسي بالتفاعلات بين البروتينات التي تسمى عوامل النسخ، الحمض النووي المناطق التنظيمية والتعديلات اللاجينية – التعديلات الكيميائية التي تغير بنية الكروماتين. يُشار إلى مجموعة التعديلات اللاجينية لجينوم الخلية باسم اللاجينوم.

التقدم في تحرير الإبيجينوم

في دراسة نشرت اليوم (9 مايو). الوراثة الطبيعية، قام علماء من مجموعة هاكيت في مختبر البيولوجيا الجزيئية الأوروبي (EMBL) في روما بتطوير منصة معيارية لتحرير الجينوم – وهو نظام يبرمج التغيرات اللاجينية في أي مكان في الجينوم. يسمح هذا النظام للعلماء بدراسة تأثير كل تعديل للكروماتين على النسخ، وهي العملية التي يتم من خلالها نسخ الجينات إلى mRNA لتحفيز تخليق البروتين.

تساهم تعديلات الكروماتين في تنظيم العمليات البيولوجية الرئيسية مثل التطور والاستجابة للإشارات البيئية والمرض.

تصوير إبداعي لمجموعة أدوات التحرير اللاجيني: يمثل كل مبنى الحالة اللاجينية للجين (النوافذ المظلمة هي جينات صامتة، والنوافذ المضيئة هي جينات نشطة). يصف كرين نظام التحرير اللاجيني الذي يتيح الترسيب الجديد لعلامات الكروماتين في أي موقع جينومي. مارزيا مونافو

لفهم آثار علامات الكروماتين المحددة على تنظيم الجينات، رسمت الدراسات السابقة توزيعها في جينومات أنواع الخلايا السليمة والمريضة. ومن خلال الجمع بين هذه البيانات وتحليل التعبير الجيني والتأثيرات المعروفة لإزعاج جينات معينة، قام العلماء بتعيين وظائف لعلامات الكروماتين هذه.

ومع ذلك، لا يزال من الصعب تحديد العلاقة السببية بين علامات الكروماتين وتنظيم الجينات. ويكمن التحدي في فك تشابك المساهمات الفردية للعديد من العوامل المعقدة المشاركة في مثل هذا التنظيم ــ علامات الكروماتين، وعوامل النسخ، وتسلسلات الحمض النووي التنظيمية.

اختراق في تكنولوجيا تحرير الإبيجينوم

طور علماء من مجموعة هاكيت نظامًا معياريًا لتحرير الجينوم لبرمجة تسع علامات كروماتين مهمة بيولوجيًا بدقة في أي منطقة مرغوبة من الجينوم. يعتمد النظام على تقنية كريسبر، وهي تقنية لتحرير الجينات مستخدمة على نطاق واسع وتسمح للباحثين بإجراء تغييرات في مواقع معينة من الحمض النووي بدقة عالية. دقة.

وقد مكنتهم مثل هذه الاضطرابات الدقيقة من تشريح العلاقات السببية بعناية بين علامات الكروماتين وتأثيراتها البيولوجية. صمم العلماء واستخدموا “نظام المراسلات” الذي سمح لهم بقياس التغيرات في التعبير الجيني على مستوى الخلية الواحدة وفهم كيفية تأثير تغيرات تسلسل الحمض النووي على تأثير كل علامة كروماتين. تكشف نتائجهم عن الأدوار السببية لمجموعة من علامات الكروماتين المهمة في تنظيم الجينات.

النتائج الرئيسية والتوجهات المستقبلية

على سبيل المثال، اكتشف الباحثون دورًا جديدًا لـ H3K4me3، وهي علامة كروماتين كان يُعتقد سابقًا أنها تنتج عن النسخ. ولاحظوا أن H3K4me3 يمكنه بالفعل زيادة عملية النسخ عند إضافته بشكل مصطنع إلى مواقع محددة في الحمض النووي.

وقالت كريستينا بوليكاربي، باحثة ما بعد الدكتوراه في مجموعة هاكيت والباحثة الرئيسية في الدراسة: “هذه نتيجة مثيرة للغاية وغير متوقعة وتتعارض مع كل توقعاتنا”. “تشير بياناتنا إلى شبكة تنظيمية معقدة تتفاعل فيها عوامل حاكمة متعددة لتعديل مستوى التعبير الجيني في خلية معينة. وتشمل هذه العوامل البنية الموجودة مسبقًا للكروماتين، وتسلسل الحمض النووي الأساسي، والموقع داخل الجينوم.

التطبيقات المحتملة والبحوث المستقبلية

يقوم هاكيت وزملاؤه حاليًا باستكشاف طرق لاستخدام هذه التكنولوجيا مع شركة ناشئة واعدة. والخطوة التالية هي تأكيد هذه النتائج وتوسيعها من خلال استهداف الجينات في أنواع ومستويات مختلفة من الخلايا. كيف تؤثر علامات الكروماتين على النسخ عبر مجموعة متنوعة من الجينات وآليات المصب لا تزال بحاجة إلى توضيح.

قال قائد الفريق جيمي هاكيت من EMBL Rome: “إن مجموعة أدوات التحرير اللاجيني المعيارية الخاصة بنا تخلق نهجًا تجريبيًا جديدًا لتشريح العلاقات المتبادلة بين الجينوم والإبيجينوم”. “يمكن استخدام هذا النظام في المستقبل لفهم أكثر دقة لأهمية التغيرات اللاجينية التي تؤثر على وظيفة الجينات في التنمية والأمراض البشرية. ومن ناحية أخرى، تفتح التكنولوجيا أيضًا القدرة على برمجة مستويات التعبير الجيني المطلوبة بطريقة أكثر قابلية للتعديل. وهذا وسيلة مثيرة للتطبيقات الصحية الدقيقة ومفيدة في حالات المرض.”

المرجع: “يلتقط تحرير الجينوم النظامي الوظيفة التعليمية الخاصة بسياق تعديلات الكروماتين” 9 مايو 2024، الوراثة الطبيعية.
دوى: 10.1038/s41588-024-01706-ث