חוקרים פיתחו פלטפורמת עריכת אפיגנום חדשה המאפשרת מניפולציה מדויקת של סימני כרומטין, חושפת את השפעתם הישירה על ביטוי גנים ומאתגרת הבנה קודמת של מנגנוני ויסות גנים.
מחקר של קבוצת Hackett ב-EMBL Rome הוביל לפיתוח טכנולוגיית עריכה אפיגנטית רבת עוצמה, אשר פותחת את היכולת לתכנת שינויים בכרומטין במדויק.
ההבנה כיצד גנים מוסדרים ברמה המולקולרית היא אתגר מרכזי בביולוגיה המודרנית. מנגנון מורכב זה מונע בעיקר על ידי האינטראקציה בין חלבונים הנקראים גורמי שעתוק, DNA אזורים רגולטוריים, ושינויים אפיגנטיים – שינויים כימיים המשנים את מבנה הכרומטין. מערכת השינויים האפיגנטיים של הגנום של התא מכונה האפיגנום.
התקדמות בעריכת אפיגנום
במחקר שפורסם היום (9 במאי) ב גנטיקה של הטבע, מדענים מקבוצת Hackett במעבדה האירופית לביולוגיה מולקולרית (EMBL) רומא פיתחו פלטפורמת עריכת אפיגנום מודולרית – מערכת לתכנת שינויים אפיגנטיים בכל מקום בגנום. המערכת מאפשרת למדענים לחקור את ההשפעה של כל שינוי בכרומטין על שעתוק, המנגנון שבאמצעותו מועתקים גנים ל-mRNA כדי להניע סינתזת חלבון.
ההערכה היא כי שינויים בכרומטין תורמים לוויסות של תהליכים ביולוגיים מרכזיים כגון התפתחות, תגובה לאותות סביבתיים ומחלות.
תיאור יצירתי של ערכת הכלים לעריכה אפיגנטית: כל בניין מייצג את המצב האפיגנטי של גן בודד (חלונות כהים הם גנים מושתקים, חלונות מוארים הם גנים פעילים). העגורן ממחיש את מערכת העריכה האפיגנטית המאפשרת שקיעה דה נובו של סימני כרומטין בכל מיקום גנומי. מרזיה מונפו
כדי להבין את ההשפעות של סימני כרומטין ספציפיים על ויסות גנים, מחקרים קודמים מיפו את התפלגותם בגנום של סוגי תאים בריאים וחולים. על ידי שילוב נתונים אלה עם ניתוח ביטוי גנים וההשפעות הידועות של מטרידות גנים ספציפיים, מדענים ייחסו פונקציות לסימני כרומטין כאלה.
עם זאת, קשה לקבוע את הקשר הסיבתי בין סימני כרומטין וויסות גנים. האתגר טמון בנתח התרומות האישיות של הגורמים המורכבים הרבים המעורבים ברגולציה כזו – סימני כרומטין, גורמי שעתוק ורצפי DNA מווסתים.
פריצת דרך בטכנולוגיית עריכת Epigenome
מדענים מקבוצת Hackett פיתחו מערכת עריכת אפיגנום מודולרית לתכנת במדויק תשעה סימני כרומטין חשובים מבחינה ביולוגית בכל אזור רצוי בגנום. המערכת מבוססת על CRISPR – טכנולוגיית עריכת גנום בשימוש נרחב המאפשרת לחוקרים לבצע שינויים במיקומי DNA ספציפיים בדיוק רב דיוק.
הפרעות מדויקות כאלה אפשרו להם לנתח בקפידה קשרי סיבה ותוצאה בין סימני הכרומטין וההשפעות הביולוגיות שלהם. המדענים גם תכננו והפעילו "מערכת מדווחים", שאפשרה להם למדוד שינויים בביטוי הגנים ברמת תא בודד ולהבין כיצד שינויים ברצף ה-DNA משפיעים על ההשפעה של כל סימן כרומטין. התוצאות שלהם חושפות את התפקידים הסיבתיים של מגוון סימני כרומטין חשובים בוויסות הגנים.
ממצאים מרכזיים וכיוונים עתידיים
לדוגמה, החוקרים מצאו תפקיד חדש עבור H3K4me3, סימן כרומטין שבעבר האמינו שהוא תוצאה של שעתוק. הם הבחינו כי H3K4me3 יכול למעשה להגביר את השעתוק בעצמו אם מוסיפים אותו באופן מלאכותי למיקומי DNA ספציפיים.
"זו הייתה תוצאה מרגשת ובלתי צפויה ביותר שעמדה בניגוד לכל הציפיות שלנו", אמרה כריסטינה פוליקרפי, פוסט דוקטורט בקבוצת האקט והמדענית המובילה של המחקר. "הנתונים שלנו מצביעים על רשת רגולטורית מורכבת, שבה גורמים שולטים מרובים פועלים על מנת לווסת את רמות ביטוי הגנים בתא נתון. גורמים אלה כוללים את המבנה הקיים של הכרומטין, רצף ה-DNA הבסיסי והמיקום בגנום".
יישומים פוטנציאליים ומחקר עתידי
Hackett ועמיתיו בוחנים כעת דרכים למנף את הטכנולוגיה הזו באמצעות מיזם סטארט-אפ מבטיח. השלב הבא יהיה לאשר ולהרחיב את המסקנות הללו על ידי מיקוד לגנים על פני סוגי תאים שונים ובקנה מידה. עוד נותר להבהיר כיצד סימני כרומטין משפיעים על שעתוק על פני מגוון הגנים והמנגנונים במורד הזרם.
"ערכת הכלים האפיגנטית המודולרית שלנו מהווה גישה ניסיונית חדשה לנתח את היחסים ההדדיים בין הגנום לאפיגנום", אמר ג'יימי האקט, ראש קבוצה ב-EMBL רומא. "המערכת תוכל לשמש בעתיד כדי להבין בצורה מדויקת יותר את החשיבות של שינויים אפיגנומיים בהשפעה על פעילות הגנים במהלך התפתחות ובמחלות אנושיות. מצד שני, הטכנולוגיה גם פותחת את היכולת לתכנת רמות ביטוי גנים רצויות בצורה מאוד ניתנת להתאמה. זהו שדרה מרגשת ליישומי בריאות מדויקים ועשויה להוכיח שימוש במערכות מחלות."
