Nová metoda sekvenování odhaluje, jak se transpozony pohybují a formují genom

Výzkumníci společnosti Cornell zjistili, že nová technologie sekvenování DNA může být použita ke studiu toho, jak se transpozony pohybují v genomu a vážou se na něj. Transpozony hrají kritickou roli v imunitní odpovědi, neurologické funkci a genetické evoluci a důsledky tohoto nálezu zahrnují zemědělský pokrok a pochopení vývoje a léčby onemocnění.

V článku publikovaném 21. listopadu in iSciencehlavní autor Patrick Murphy, Ph.D. ’13, docent molekulární biologie a genetiky na College of Agriculture and Life Sciences, a spoluautoři prokazují, že technika mapování genomu s vysokým rozlišením nazvaná CUT&Tag může překonat nedostatky ve stávajících metodách sekvenování a umožnit studium transpozonů. Kdysi byly transpozony zesměšňovány jako „odpadní DNA“, tvoří polovinu lidského genomu a pocházejí ze starověkých virů, s nimiž se setkali naši evoluční předkové.

Pokud přežijete virovou infekci, virus uspí, ale DNA viru zůstane kolem. Pokud se tato DNA dostane do spermie nebo vajíčka, může být předána další generaci a odtamtud každému potomkovi. Tento proces se v průběhu evoluční historie stal tisíckrát a tisíckrát. Tato prastará virová DNA – transpozony – není jen haraburdí, které tam sedí a zabírá místo v našem genomu. Stala se nedílnou součástí našeho genomu, která nám a dalším organismům pomáhá fungovat.“

Patrick Murphy, Ph.D. ’13, docent molekulární biologie a genetiky, College of Agriculture and Life Sciences

Transpozony byly poprvé objeveny koncem 40. let 20. století v kukuřici Barbarou McClintock, třída z roku 1923, MA 1925, Ph.D. 1927 – práce, která jí vynesla v roce 1983 Nobelovu cenu za fyziologii nebo medicínu. U lidí, když transpozony „skočí“ do různých pozic v genomu, vytvoří a genetická mutace které mohou způsobit škodu, poskytnout ochranu nebo vést k evoluční změně.

Mutace řízené transposony mohou například způsobit onemocnění, včetně hemofilie a některých druhů rakoviny. Mohou také nabídnout ochranu před některými moderními infekcemi. V nejranějších fázích lidského vývoje některé transpozony aktivují a umožňují tvorbu kmenových buněk. Jsou také aktivní ve vývoji placenty, což umožnilo evoluci savců.

Protože co je známo o transpozonech, mnohem více zůstává záhadou, řekl Murphy. Je to proto, že standardní metody používané po desetiletí ke studiu genetického materiálu zahrnovaly rozbití otevřených buněk a oddělení kapaliny od pevných materiálů. Vědci zkoumali kapalnou část a z velké části vyhazovali pevnou látku, protože neexistoval způsob, jak ji studovat (takže přezdívka „nevyžádaná DNA“ přidělená v 70. letech 20. století).

„Naše studie zjistila, že pevná část je tam, kde jsou všechny transpozony,“ řekl Murphy.

CUT&Tag představili vědci z Fred Hutchinson Cancer Research Center v Seattlu v roce 2019 jako způsob, jak studovat chromatiny – DNA a proteiny, které tvoří chromozomy. Výzkumníci společnosti Cornell ve svém článku iScience zjistili, že CUT&Tag také umožňuje nový průzkum do poloviny lidského genomu, která je těžká na transposony. Možnosti aplikovaného dopadu tohoto základního objevu jsou obrovské, řekl Murphy.

Například některé terapie rakoviny fungují tak, že aktivují transpozony v genomu, které vyvolají imunitní systém k útoku na rakovinu. Lepší pochopení těchto mechanismů by mohlo vést k cílenějším terapiím.

„Díky těmto novým metodám a technologiím si myslím, že v příštích pěti až deseti letech vstoupíme do zlatého věku, kdy začneme skutečně chápat, jak transpozony fungují, a zda je lze využít ve věcech, jako je klinická terapie, léčba neplodnosti a pochopení vývoje organismu,“ řekl Murphy. „Je to tak základní; bude to mít široké, rozsáhlé dopady na zemědělství, rostliny, mikroorganismy, lidi, nemoci, speciační studie a mnoho dalších.“

Prvním autorem článku je Brandon Park, bývalý doktorand v Murphyho laboratoři na University of Rochester (Murphy se letos přestěhoval do Cornellu). Dalšími Cornellovými spoluautory jsou: Shan Hua, postdoktorandský spolupracovník v Murphyho laboratoři; badatel Karli Casler; a Kristin Murphy, Ph.D. ’13, vedoucí vědecký pracovník na College of Veterinary Medicine. Další spoluautoři pocházejí z laboratoře Mitchella O’Connella, docenta na University of Rochester.

Výzkum byl podpořen Státním zdravotním ústavem.