Ερευνητές αποκωδικοποιούν τη λειτουργία ανθρώπινων γονιδίων, ο νέος χάρτης

Μόλις πριν από λίγους μήνες οι επιστήμονες ανακοίνωσαν την πρώτη πλήρη, χωρίς κενά αλληλούχιση (“ανάγνωση”) του ανθρώπινου γονιδιώματος.

Τώρα δημιουργούν τον πρώτο ολοκληρωμένο λειτουργικό χάρτη γονιδίων που εκφράζονται σε ανθρώπινα κύτταρα διαφορετικών τύπων και ιστών

Για τη δημιουργία του χάρτη οι ερευνητές βασίστηκαν στην τεχνολογία Perturb-seq (προσδιορισμού αλληλουχίας RNA μονοκύτταρου) που αναζητά τη λειτουργία πολλών διαφορετικών γονιδίων σε πολλούς διαφορετικούς τύπους κυττάρων ταυτόχρονα, σε έναν ζωντανό

Τα αποτελέσματα αυτού του έργου που συνδέει κάθε γονίδιο με τη λειτουργία του στο κύτταρο και που είναι το αποκορύφωμα πολυετούς ερευνητικής συνεργασίας πάνω στη μέθοδο Perturb-seq δημοσιεύθηκαν στο επιστημονικό περιοδικό Cell, στις αρχές Ιουνίου.

Το έργο λύνει ουσιαστικά τα χέρια των βιολόγων, οι οποίοι έχοντας αυτόν τον χάρτη των σχέσεων γονότυπου (γενετικό υλικό) και φαινοτύπου (σύνολο των εμφανών εξωτερικών χαρακτηριστικών) μπορούν να μπουν και να ελέγξουν τη βάση δεδομένων χωρίς να χρειάζεται να διενεργήσουν έναν μεγάλο όγκο πειραμάτων.

Για να το καταλάβει κάποιος τη μέθοδο πρέπει να γνωρίζει ότι το πρώτο βήμα για την έκφραση των γονιδίων είναι η μεταγραφή του DNA σε RNA, δηλαδή, κάθε γονίδιο εκφράζεται σε RNA. Προκαλώντας λοιπόν μία μεταλλαγή (μεταβολή) σε ένα γονίδιο, μπορεί κάποιος να βρει το πως αλλάζει η έκφραση των υπόλοιπων γονιδίων του κυττάρου (συγκριτικά με την έκφραση στα κύτταρα χωρίς την μεταλλαγή).

Η μέθοδος Perturb-seq χρησιμοποιεί την τεχνολογία CRISPR-Cas9 –γνωστή ως “μοριακό ψαλίδι”, ένα συναρπαστικό εργαλείο έρευνας με το οποίο οι ερευνητές μπορούν να τροποποιούν γονίδια για διαφορετικούς σκοπούς με μεγάλη ακρίβεια και ευκολία-για την επεξεργασία γονιδιώματος, για να εισαγάγει γενετικές αλλαγές στα υπό μελέτη κύτταρα. Στη συνέχεια χρησιμοποιώντας την αλληλούχιση του RNA μπορεί να λάβει πληροφορίες σχετικά με την έκφραση των λοιπών γονιδίων του κυττάρου, ως αποτέλεσμα της δεδομένης γενετικής αλλαγής. Επειδή τα RNA ελέγχουν όλες τις πτυχές του τρόπου συμπεριφοράς των κυττάρων, αυτή η μέθοδος μπορεί να βοηθήσει στην αποκωδικοποίηση της επίδρασης των γενετικών αλλαγών στο κύτταρο.

Το έργο εκμεταλλεύεται την Perturb-seq που καθιστά δυνατή την παρακολούθηση του αντίκτυπου της ενεργοποίησης ή απενεργοποίησης γονιδίων με πρωτοφανές βάθος ανάλυσης. Η τεχνολογία Perturb-seq δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά το 2016 από μια ομάδα ερευνητών, συμπεριλαμβανομένου του καθηγητή στο MIT Jonathan Weissman που είναι επίσης μέλος του Whitehead Institute και ερευνητής στο Howard Hughes Medical Institute, και του συναδέλφου του καθηγητή Aviv Regev. Όμως η μέθοδος μπορούσε να χρησιμοποιηθεί μόνο σε μικρά σύνολα γονιδίων και είχε μεγάλο κόστος.

Το 2020 μια ομάδα ερευνητών από το εργαστήριο του Weissman στο ΜΙΤ, από το Memorial Sloan Kettering Cancer Center, από το Τμήμα Μοριακής Βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον και από την αμερικανική εταιρεία βιοτεχνολογίας “10x Genomics” ξεκίνησε να μελετά τις δυνατότητες της μεθόδου σε περιορισμένη κλίμακα. Για παράδειγμα, οι ερευνητές, το 2021 χρησιμοποίησαν το Perturb-seq για να διερευνήσουν το πώς αλληλεπιδρούν τα ανθρώπινα με τα ιικά γονίδια κατά τη διάρκεια μιας λοίμωξης με HCMV, έναν κοινό ερπητοϊό.

Σε μια νέα μελέτη, οι ερευνητές δοκίμασαν τη μέθοδο σε κλίμακα γονιδιώματος. Χρησιμοποιώντας ανθρώπινες κυτταρικές σειρές καρκίνου του αίματος, καθώς και μη καρκινικά κύτταρα που προέρχονται από τον αμφιβληστροειδή του ματιού, εφάρμοσαν το Perturb-seq σε περισσότερα από 2,5 εκατομμύρια κύτταρα και χρησιμοποίησαν τα δεδομένα για να δημιουργήσουν έναν ολοκληρωμένο χάρτη που συνδέει τους γονότυπους με τους φαινότυπους. Στη συνέχεια, οι ερευνητές αποφάσισαν να χρησιμοποιήσουν το νέο τους σύνολο δεδομένων για να απαντήσουν σε μερικές βιολογικές ερωτήσεις.

Η πρώτη, πιο προφανής εφαρμογή της μεθόδου είναι η εξέταση γονιδίων με άγνωστες λειτουργίες. Επειδή οι ερευνητές διαβάζουν φαινοτύπους πολλών γνωστών γονιδίων, μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα δεδομένα για να συγκρίνουν άγνωστα γονίδια με γνωστά και να αναζητήσουν παρόμοια προφίλ γονιδιακής έκφρασης (κάποια από τα οποία ίσως προτείνουν ότι τα γονίδια αυτά συνεργάζονται ως μέρος ενός μεγαλύτερου συμπλέγματος).

Επίσης, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τον χάρτη του γονιδιώματος για να διερευνήσουν την απόκριση των μιτοχονδρίων (κυτταρικά οργανίδια στα οποία παράγεται ενέργεια) στο στρες, αλλά και για να ελέγξουν την ύπαρξη ή όχι γονιδίων που προκαλούν απώλεια ή απόκτηση χρωμοσωμάτων, ένα φαινόμενο που έχει αποδειχθεί δύσκολο να μελετηθεί στο παρελθόν. Οι ερευνητές διαπίστωσαν για παράδειγμα, ότι ένα υποσύνολο γονιδίων ήταν υπεύθυνο για τον διαχωρισμό των χρωμοσωμάτων. Η αφαίρεσή των γονιδίων αυτών έκανε τα κύτταρα να χάσουν ένα χρωμόσωμα ή να «μαζέψουν» ένα επιπλέον, μια κατάσταση γνωστή ως ανευπλοειδία που οδηγεί σε πολύ σοβαρά γενετικά νοσήματα.

Τα ευρήματα θα μπορούσαν να επιταχύνουν σημαντικά την ικανότητα των επιστημόνων να χαρτογραφούν τις γονιδιακές αλληλεπιδράσεις και τις αποκρίσεις σε περιβαλλοντικά ερεθίσματα για να προωθήσουν την κατανόηση των υγιών γονιδιακών δικτύων και πώς αυτά μεταβάλλονται στο πλαίσιο μιας νόσου.

Στο μέλλον, οι ερευνητές ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν το Perturb-seq και σε διαφορετικούς τύπους κυττάρων εκτός της καρκινικής κυτταρικής σειράς από την οποία ξεκίνησαν. Θα συνεχίσουν να εξερευνούν τον χάρτη των γονιδιακών λειτουργιών και ευελπιστούν ότι και άλλοι ερευνητές θα κάνουν το ίδιο.

Πηγή: ΜΙΤ