Ученым известно, что большая часть этого разнообразия является следствием эпигенетики (например, химических меток на ДНК), а также того, как эпигенетические особенности в конечном итоге складываются в хромосомах, чтобы влиять на экспрессию генов.
Теперь исследователи Солка разработали метод одновременного анализа того, как хромосомы вместе с их эпигенетическими особенностями уплотняются внутри отдельных клеток мозга человека. Совместная группа ученых из лабораторий Эккера и Диксона объединила два разных метода анализа в один метод, который позволил им идентифицировать регуляторные элементы генов в разных типах клеток.
Работа, опубликованная в журнале Nature Methods 9 сентября 2019 года, открывает путь к новому пониманию того, как некоторые клетки перестают регулироваться, вызывая болезнь.
«Мы использовали этот новый и лучший подход к анализу геномов отдельных клеток и применили его к здоровой мозговой ткани», – говорит профессор Солка и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза Джозеф Эккер, глава лаборатории геномного анализа и корреспондент газеты. автор. "Следующим шагом будет сравнение нормальной и больной ткани."
То, как ДНК упакована в структурах, называемых хромосомами в ядре клетки, может играть решающую роль в клеточной функции.
И то, как в конечном итоге складывается ДНК, зависит от того, какие участки ДНК должны взаимодействовать друг с другом, а какие должны быть легко доступны для клеточного оборудования. Структура хромосом действует как своего рода клеточный отпечаток пальца: хотя разные типы клеток имеют одинаковую последовательность ДНК, они имеют разные структуры хромосом для организации этой ДНК.
В то же время химические (эпигенетические) модификации самой ДНК, такие как добавление метильных групп к цепи ДНК, также контролируют время и уровни экспрессии генов.
Когда метильная группа прикрепляется к фрагменту ДНК, экспрессия гена обычно блокируется.
В прошлом исследователям приходилось использовать отдельные методы для определения хромосомных структур и паттернов метилирования отдельных клеток. В июле, например, команда Эккера сообщила, что они разработали новый инструмент, который может дифференцировать типы клеток исключительно на основе структуры хромосом.
А в 2017 году они отсортировали клетки мозга мыши и человека на основе их паттернов метилирования.
Однако, проводя эксперименты по отдельности, исследователи не могут определить, как могут быть связаны структура хромосом и паттерны метилирования.
Неясно, соответствует ли каждое подмножество структур хромосом подмножеству паттернов метилирования. Или два набора данных, когда они объединены, выявляют более тонкие подтипы ячеек?.
В своем новом методе, называемом одноядерным секвенированием метил-3C (sn-m3C-seq), команда Солка «двойным провалом» из каждой отдельной клетки собирает данные как о структуре хромосомы, так и о метилировании одновременно. Хотя выполнение этого процесса вручную было бы медленным и обременительным, команда автоматизировала sn-m3C-seq, что позволило им легко изучить тысячи ячеек. Разработка новых подходов к обработке ячеек в сочетании с новыми вычислительными методами обработки данных позволила использовать эту новую технику.
Команда говорит, что разработка метода, который исследует эти особенности в отдельных клетках, позволяет ученым использовать определенные «аналитические приемы» для непосредственного изучения образцов ткани и определения структуры хромосом и метилирования ДНК во всех различных типах клеток в ткани. «Мы знаем, что эти функции могут сильно различаться для разных типов ячеек, и имеет смысл иметь оба типа информации вместе из одних и тех же ячеек», – говорит Джесси Диксон, научный сотрудник Helmsley-Salk и соавтор-корреспондент. «Это действительно открывает нам возможность понять, какие регуляторные последовательности влияют на гены в самых разных типах клеток и тканях."
Знание того, какие регуляторные последовательности регулируют, какие гены, имеет важное значение для понимания того, как генетические вариации могут способствовать развитию заболеваний человека. Например, большая часть генетических вариаций, которые способствуют распространенным заболеваниям головного мозга человека, таким как шизофрения и депрессия, а также не связанным с головным мозгом заболеваниям, таким как болезни сердца, лежит в областях нашего генома, которые далеки от генов. Исследователи говорят, что, изучая складывание хромосом в реальных тканях человека и определяя различные типы клеток, эти методы могут позволить им связать вызывающие заболевания генетические варианты с генами, которые они регулируют, что может рассказать им больше о том, почему определенные варианты способствуют развитию заболеваний и предложить идеи, как лучше всего лечить их.
Чтобы проверить sn-m3C-seq, Экер, Диксон и его коллеги применили этот метод к более чем 4200 клеткам префронтальной коры головного мозга человека. Хотя использование только данных о структуре хромосом позволило лишь грубо отделить нейроны от ненейронов, объединение подходов позволило исследователям идентифицировать регуляторные элементы генов в различных типах клеток, а затем продолжить изучение хромосомных структур, присутствующих в каждом типе клеток.
Более того, команда заметила взаимосвязь между двумя уровнями регулирования, которые они планируют изучить в будущем. Теперь, когда метод разработан, они хотели бы начать применять его к большему количеству типов как здоровых, так и больных тканей.
Этим усилиям будет способствовать грант в размере четырех миллионов долларов, который Диксон и Эккер получили от Национального исследовательского института генома при Национальном институте здравоохранения 6 сентября 2019 года, что значительно облегчит их исследования регуляции генов в тканях человека и таких заболеваний, как рак.
Соавторами статьи были Донг-Сун Ли, Чунъюань Ло и Цзинтянь Чжоу, все из Института Солка.
Другими авторами были Сахана Чандран, Анджелина Ривкин, Анна Бартлетт, Джозеф Нери, Конор Фицпатрик и Кэролин О’Коннор, также из Солка.
Работа и привлеченные исследователи были поддержаны Медицинским институтом Говарда Хьюза, грантами Национального института здоровья, Леона М. и Гарри Б. Благотворительный фонд Хелмсли и Фонд инновационных исследований Института Солка.