Nowa metoda sekwencjonowania DNA zbada każdy gen w każdej komórce

Naukowcy MIT opracowali nowe narzędzie analityczne, które pozwoli wziąć pod lupę każdy gen w naszym genomie, łącząc go z funkcjami w organizmie. To najbardziej złożona mapa genów w historii ludzkości.

Celem Human Genome Project (HGP) było zsekwencjonowanie każdego fragmentu ludzkiego DNA. Projekt, w którym brali udział naukowcy z całego świata, zakończono w 2003 r. Teraz naukowcy MIT pod kierownictwem prof. Jonathana Weissmana zaprezentowali najbardziej kompleksową mapę genów, które ulegają ekspresji w ludzkich komórkach. Szczegóły opisane w czasopiśmie Cell wiążą geny z ich komórkowymi funkcjami i są zwieńczeniem wieloletniej pracy, także uczonych zaangażowanych w HGP. Narzędzie nazwano Pertub-seq.

Prof. Jonathan Weissman mówi:

To wielki zasób, tak jak wielkim zasobem jest ludzki genom, ponieważ można wejść do niego i prowadzić badania oparte na odkryciach. Zamiast z góry określać, na jaką biologię chcemy zwrócić uwagę, mamy mapę relacji genotyp-fenotyp i możemy wejść do bazy danych i prześwietlić ją bez konieczności przeprowadzania jakichkolwiek eksperymentów.

Co w tej technice jest niezwykłego?

Naukowcy MIT wykorzystali metodę Perturb-seq, która pozwala na śledzenie wpływu włączania i wyłączania genów z niespotykaną dotąd precyzją. Powstała w 2016 r., ale mogła być stosowana tylko na małych zestawach genów i przy dużych kosztach. Uczeni z Memorial Sloan Kettering Cancer Center, Uniwersytetu Princeton i grupy 10x Genomics, postanowili stworzyć nową wersję Pertub-seq. Została ona opisana w Nature Biotechnology.

Metoda Perturb-seq wykorzystuje narzędzie CRISPR/Cas9 do wprowadzenia zmian genetycznych w komórkach, a następnie używa sekwencjonowania jednokomórkowego RNA do zbierania informacji o materiale genetycznym, który ulega ekspresji w wyniku danych zmian. Mówiąc skrótowo: metoda Pertub-seq umożliwia śledzenie zmian RNA, które z kolei zachodzą w wyniku ekspresji genów. Można w ten sposób monitorować efekty komórkowe zmian genetycznych.

Od momentu zaprezentowania metody Perturb-seq, naukowcy stosowali ją na mniejszą skalę, ale teraz udało się rozszerzyć na cały genom. Badając linie komórkowe ludzkiego raka krwi oraz komórki nienowotworowe pochodzące z siatkówki, zastosowano narzędzie Perturb-seq na ponad 2,5 mln komórek i stworzono kompleksową mapę łączącą genotypy z fenotypami.

Do czego może przydać się ta technika? Najbardziej oczywistym zastosowaniem jest poszukiwanie genów o nieznanej funkcji. Ponieważ narzędzie wyłapuje także fenotypy wielu znanych genów, naukowcy mogli wykorzystać zebrane dane do porównania nieznanych genów ze znanymi i poszukać podobnych wyników transkrypcji. Szczególnie ciekawie wyglądała mutacja jednego z genów o nazwie C7orf26. Geny, których usunięcie prowadziło do podobnego fenotypu, były częścią większego kompleksu białkowego, który odgrywał rolę w tworzeniu małych jądrowych RNA (snRNA). Wcześniej wydawało się, że kompleks białkowy składa się z 14 białek, a dzięki Perturb-seq potwierdzono istnienie piętnastego elementu budulcowego.

Ponieważ Perturb-seq koncentruje się na pojedynczych komórkach, można przyjrzeć się bardziej złożonym fenotypom. 

Prof. Jonathan Weissman tłumaczy:

Często bierzemy wszystkie komórki, w których wyłączono “gen X” i uśredniamy je razem, by sprawdzić, jak się zmieniły. Ale czasami, gdy wyłączymy jakiś gen, różne komórki, które tracą ten sam gen, zachowują się inaczej i to zachowanie może zostać przeoczone przez średnią.

Możliwe jest także wykorzystanie Perturb-seq do badania reakcji mitochondriów na stres – czynniki zewnętrzne inaczej wpływają na mtDNA, a inaczej na genom jądrowy. Reakcje często są nieprzewidywalne, a więc i trudne do potencjalnej naprawy.

Prof. Jonathan Weissman podsumowuje:

Jeśli jedno mitochondrium jest uszkodzone, a drugie jest uszkodzone w inny sposób, to te mitochondria mogą reagować w różny sposób.

To wszystko dopiero początek. Możliwości Perturb-seq są bardzo duże i nie wszystkie z nich zostały przez naukowców już wymyślone.