Het nieuwe Epigenome Editing Platform maakt nauwkeurige programmering van epigenetische modificaties mogelijk

Een onderzoek door de groep van Hackett bij EMBL Rome heeft geleid tot de ontwikkeling van een krachtige techniek voor het bewerken van genen, die de mogelijkheid opent om chromatinemodificaties nauwkeurig te programmeren.

Begrijpen hoe genen op moleculair niveau worden gereguleerd, is een grote uitdaging in de moderne biologie. Dit complexe mechanisme wordt voornamelijk aangedreven door de interactie tussen eiwitten die transcriptiefactoren worden genoemd. DNA Regulerende regio’s en epigenetische modificaties – chemische veranderingen die de structuur van chromatine veranderen. De verzameling epigenetische modificaties aan het genoom van een cel wordt het epigenoom genoemd.

Vooruitgang in het bewerken van epigenoom

In een studie die vandaag (9 mei) is gepubliceerd in NatuurgeneticaWetenschappers van Hackett’s groep van het European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Rome hebben een modulair genoombewerkingsplatform ontwikkeld – een systeem voor het programmeren van epigenetische modificaties waar dan ook in het genoom. Met het systeem kunnen wetenschappers het effect van elke chromatinemodificatie op transcriptie bestuderen, het mechanisme waarmee genen worden getranscribeerd naar mRNA om de eiwitsynthese te katalyseren.

Aangenomen wordt dat chromatinemodificaties bijdragen aan de regulering van belangrijke biologische processen zoals ontwikkeling, reactie op omgevingssignalen en ziekte.

Creatieve illustratie van de Epigenetic Editing Toolkit: Elk gebouw vertegenwoordigt de epigenetische toestand van een enkel gen (donkere vensters zijn stille genen, lichte vensters zijn actieve genen). De hendel demonstreert het epigenetische bewerkingssysteem dat de novo afzetting van chromatinemarkeringen op elke genomische locatie mogelijk maakt. Marzia Monafo

Om de effecten van specifieke chromatinemarkeringen op genregulatie te begrijpen, hebben eerdere onderzoeken hun verspreiding in de genomen van gezonde en zieke celtypen in kaart gebracht. Door deze gegevens te combineren met analyse van genexpressie en bekende effecten van het verstoren van specifieke genen, hebben wetenschappers functies aan deze chromatinemarkeringen toegeschreven.

Het is echter moeilijk gebleken om het causale verband tussen chromatinemarkeringen en genregulatie vast te stellen. De uitdaging is om de individuele bijdragen te ontleden van de vele complexe factoren die betrokken zijn bij dergelijke regulatie – chromatinemarkeringen, transcriptiefactoren en regulerende DNA-sequenties.

Doorbraak in epigenoombewerkingstechnologie

Wetenschappers uit de groep van Hackett hebben een modulair genoombewerkingssysteem ontwikkeld om negen biologisch belangrijke chromatinemarkeringen nauwkeurig te programmeren in elk gewenst gebied van het genoom. Het systeem is gebaseerd op CRISPR – een veelgebruikte genoombewerkingstechnologie waarmee onderzoekers met hoge precisie wijzigingen kunnen aanbrengen op specifieke plaatsen in het DNA. Nauwkeurigheid.

Dergelijke subtiele verstoringen stelden hen in staat oorzaak-en-gevolg-relaties tussen chromatinemarkeringen en hun biologische effecten zorgvuldig te ontleden. De wetenschappers ontwierpen en gebruikten ook een ‘reportersysteem’, waarmee ze veranderingen in genexpressie op het niveau van een enkele cel konden meten en konden begrijpen hoe veranderingen in de DNA-sequentie het effect van elk chromatinemerk beïnvloeden. Hun resultaten onthullen de causale rol van een reeks chromatinekenmerken die belangrijk zijn bij genregulatie.

Belangrijkste bevindingen en toekomstige richtingen

Onderzoekers hebben bijvoorbeeld een nieuwe rol gevonden voor H3K4me3, een chromatinemerk waarvan eerder werd gedacht dat het een gevolg was van transcriptie. Ze merkten op dat H3K4me3 de transcriptie op zichzelf kan verhogen als het kunstmatig wordt toegevoegd aan specifieke plaatsen in het DNA.

“Dit was een zeer opwindend en onverwacht resultaat dat tegen al onze verwachtingen inging”, zegt Christina Policarpi, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Hackett en hoofdwetenschapper van het onderzoek. “Onze gegevens wijzen op een complex regulerend netwerk, waar meerdere bepalende factoren samenwerken om de genexpressieniveaus in een bepaalde cel te moduleren. Deze factoren omvatten de reeds bestaande structuur van chromatine, de onderliggende DNA-sequentie en de locatie in het genoom.

Mogelijke toepassingen en toekomstig onderzoek

Hackett en zijn collega’s onderzoeken momenteel manieren om deze technologie te benutten via een veelbelovend startup-project. De volgende stap zal zijn om deze conclusies te bevestigen en uit te breiden door genen in verschillende celtypen en op een brede schaal te targeten. Hoe chromatinemarkeringen de transcriptie beïnvloeden via gendiversiteit en stroomafwaartse mechanismen moet nog worden opgehelderd.

“Onze modulaire toolkit voor epigenetische bewerking vormt een nieuwe experimentele benadering voor het ontleden van de onderlinge relaties tussen het genoom en het epigenoom”, zegt Jamie Hackett, groepsleider bij EMBL Rome. “Het systeem zou in de toekomst kunnen worden gebruikt om het belang van epigenomische veranderingen bij het beïnvloeden van genactiviteit tijdens de ontwikkeling en bij ziekten bij de mens nauwkeuriger te begrijpen. Aan de andere kant opent deze technologie ook de mogelijkheid om gewenste genexpressieniveaus op een zeer nauwkeurig niveau te programmeren Dit is een opwindende manier voor toepassingen.” Nauwkeurige gezondheidsvoordelen kunnen nuttig zijn in geval van ziekte.

Referentie: “Stamgenoombewerking legt de contextafhankelijke instructieve functie van chromatinemodificaties vast” 9 mei 2024, Natuurgenetica.
doi: 10.1038/s41588-024-01706-s