Když většina z nás myslí na DNA, máme mlhavou představu, že se skládá z genů, které nám dávají naše fyzické rysy, naše behaviorální zvláštnosti a udržují naše buňky a orgány v chodu.
Ale jen malé procento naší DNA – asi 2 % – obsahuje našich 20 000 genů. Zbývajících 98 % – dlouho známých jako nekódující genom nebo takzvaná „junk“ DNA – zahrnuje mnoho přepínačů, které řídí, kdy a jak silně jsou geny exprimovány.
Nyní vědci z UNSW Sydney identifikovali přepínače DNA, které pomáhají řídit, jak fungují astrocyty – jsou to mozkové buňky, které podporují neurony a je známo, že hrají roli při Alzheimerově chorobě.
Ve výzkumu zveřejněném dnes v Příroda Neurosciencevýzkumníci z UNSW’s School of Biotechnology & Biomolecular Sciences popsali, jak testovali téměř 1000 potenciálních přepínačů – řetězců DNA známých jako enhancery – v lidských astrocytech pěstovaných v laboratoři. Enhancery mohou být umístěny velmi daleko od genu, který ovládají, někdy až stovky tisíc písmen DNA, což ztěžuje jejich studium.
Tým použil CRISPRi, nástroj, který vám umožní vypnout malé části DNA bez jejího řezání, v kombinaci se sekvenováním jednobuněčné RNA, které měří genovou expresi v jednotlivých buňkách. Tento přístup jim umožnil otestovat funkci téměř 1000 zesilovačů najednou.
„Použili jsme CRISPRi k vypnutí potenciálních zesilovačů v astrocytech, abychom zjistili, zda změnil genovou expresi,“ říká hlavní autorka Dr Nicole Green.
„A pokud ano, pak jsme věděli, že jsme našli funkční zesilovač a mohli jsme pak zjistit, který gen – nebo geny – kontroluje. To se stalo asi 150 potenciálním zesilovačům, které jsme testovali. A překvapivě velká část těchto funkčních zesilovačů kontrolovala geny zapojené do Alzheimerovy choroby.“
Přechod z 1 000 kandidátů na 150 skutečných přepínačů dramaticky zužuje místa, kde vědci potřebují hledat v nekódujícím genomu, aby našli vodítka ke genetice Alzheimerovy choroby.
„Tato zjištění naznačují, že podobné studie na jiných typech mozkových buněk jsou potřebné k zvýraznění funkčních zesilovačů v obrovském prostoru nekódující DNA.“
Čtení mezi řádky
Profesorka Irina Voineagu, která na studii dohlížela, říká, že výsledky poskytují výzkumníkům katalog oblastí DNA, které mohou pomoci interpretovat i výsledky jiných genetických studií.
„Když vědci hledají genetické změny, které vysvětlují nemoci, jako je hypertenze, cukrovka a také psychiatrické a neurodegenerativní poruchy, jako je Alzheimerova choroba – často skončíme se změnami ne tak v genech, ale mezi nimi,“ říká.
Tyto „mezi“ oblasti jsou zesilovače, které její tým nyní testoval přímo v lidských astrocytech – odhalil, které z nich skutečně ovládají důležité mozkové geny.
„Zatím nemluvíme o terapiích. Ale nemůžete je vyvinout, pokud nejprve neporozumíte schématu zapojení. To je to, co nám dává – hlubší pohled na obvody řízení genů v astrocytech.“
Od genových přechodů k AI
Testování téměř tisíce zlepšováků v laboratoři byla namáhavá práce. A je to poprvé, co byl v mozkových buňkách proveden screening CRISPRi zesilovačů tohoto rozsahu. Ale s již hotovými základy lze data použít k trénování počítačových nástrojů k předpovídání, které potenciální zesilovače jsou skutečnými přepínači, což potenciálně ušetří roky experimentálního času.
„Tato datová sada může pomoci počítačovým biologům otestovat, jak dobré jsou jejich predikční modely při předpovídání funkce zesilovače,“ říká Prof. Voineagu.
Ve skutečnosti tým DeepMind společnosti Google již používá soubor dat k porovnání svého nedávného modelu hlubokého učení zvaného AlphaGenome, dodává.
Potenciální nástroje pro genovou terapii
Protože specifické zesilovače jsou aktivní pouze ve specifických typech buněk, jejich zacílení by mohlo umožnit přesnou kontrolu genové exprese v astrocytech bez ovlivnění neuronů nebo jiných mozkových buněk.
„Ačkoli to ještě není blízko k použití na klinice – a zbývá mnoho práce, než by tato zjištění mohla vést k léčbě – existuje jasný precedens,“ říká prof. Voineagu.
„První lék na úpravu genů schválený pro onemocnění krve – srpkovitá anémie – se zaměřuje na zesilovač specifický pro buněčný typ.“
Dr Green dodává, že výzkum v oblasti zesilovačů DNA je slibným směrem v přesné medicíně.
„To je něco, na co se chceme podívat hlouběji: zjistit, které zesilovače můžeme použít k zapnutí nebo vypnutí genů v jednom typu mozkových buněk, a to velmi kontrolovaným způsobem,“ říká.
