Иновативна карта ще ни помогне да свържем всеки човешки ген с неговата функция

Проектът за човешкия геном е амбициозна инициатива за секвениране на всяка част от човешката ДНК. Той събра сътрудници от изследователски институции по целия свят, включително Института за биомедицински изследвания на Масачузетския технологичен институт. Началото беше положено още през 2003 година.

Сега, близо две десетилетия по-късно, учените надхвърлиха последователността, за да представят първата изчерпателно функционална карта на гени, които се експресират в човешки клетки.

Вместо да дефинираме предварително каква биология ще разглеждаме, разполагаме с карта на взаимоотношенията генотип-фенотип. Така можем да влезем и да прегледаме базата данни, без да се налага да правим каквито и да било експерименти.

Изследователите се задълбочат в различни биологични въпроси. Те използват модела за изследване на клетъчните ефекти в гени с неизвестни функции, за проследяване реакцията на митохондриите към стреса и за скрининг на гени, които причиняват загуба или придобиване на хромозоми. Това е фенотип, който беше труден за изследване в миналото. Новият набор от данни дава възможност за всякакви анализи, които дори не са измислени все още от хората.

Perturb-seq

Проектът се възползва от подхода на Perturb-seq, който прави възможно проследяването на въздействието от включването или изключването на гени с безпрецедентна дълбочина. Този метод беше публикуван за първи път през 2016 г. от група изследователи, но можеше да се използва само за малки набори от гени при това с цената на големи разходи.

Методът Perturb-seq използва редактиране на генома CRISPR-Cas9 за въвеждане на генетични промени в клетките и след това, благодарение на едноклетъчно РНК секвениране, улавя информация за РНК, които се експресират в резултат на дадена генетична промяна. Тъй като РНК контролира всички аспекти на поведението на клетките, този метод може да помогне за декодирането на многото клетъчни ефекти от генетичните промени.

По-добро разбиране на инфекциите

След първоначалното доказателство на концепцията и други учени използват този метод на секвениране в по-малки мащаби. Благодарение на Perturb-seq през 2021 г. изследователи проучват, как човешките и вирусните гени взаимодействат по време на инфекция с HCMV, често срещан херпесвирус.

В новото проучване изследователите разширяват метода до целия геном. Използвайки клетъчни линии на човешки рак на кръвта, както и неракови клетки, получени от ретината, те изпълнява Perturb-seq върху повече от 2,5 милиона клетки. Данните се използват за изграждане на цялостна карта, свързваща генотипите с фенотипите.

Вникване в информацията

След като завършват картата, изследователите решават да използват новия набор от данни и да проучат няколко биологични въпроса. Първото и най-очевидно приложение е да се изследват гени с неизвестни функции. Тъй като картата разчита фенотипове на много известни гени, изследователите биха могли да използват данните, за да сравнят неизвестните гени с известни и да търсят подобни резултати от транскрипцията. Това предполага, че генните продукти работят заедно като част от по-голям комплекс.

Особено се откроява мутацията на един ген, наречен C7orf26. Изследователите забелязали, че гените, чието отстраняване е довело до подобен фенотип, са част от протеинов комплекс, наречен Integrator. Той играе роля в създаването на малки ядрени РНК. Комплексът Integrator се състои от много по-малки субединици. Предишни проучвания предполагаха 14 отделни протеина, а изследователите успяха да потвърдят, че C7orf26 съставлява 15-ия компонент на комплекса.

Те също така откриха, че 15-те субединици работят заедно в по-малки модули, за да изпълняват специфични функции в рамките на комплекса Integrator.

Друго предимство на Perturb-seq

Тъй като анализът се фокусира върху отделни клетки, изследователите могат да използват данните, за да разгледат по-сложни фенотипове, които се замъгляват, когато се изследват заедно с данни от други клетки.

Така учените открили, че подгрупа от гени, чието отстраняване е довело до различни резултати от клетка до клетка, са отговорни за хромозомната сегрегация. Отстраняването им кара клетките да загубят хромозома или да получат допълнителна. Това състояние е известно като анеуплоидия. Изследването й е най-интересното приложение на тези данни досега.

Изследователите също са използвали своя набор от данни, за да проучат как митохондриите реагират на стрес. Те са еволюирали от свободно живеещи бактерии и носят 13 гена в генома си. В рамките на ядрената ДНК около 1000 гена са свързани по някакъв начин с митохондриалната функция.

По време на опитите са открили, че когато се смущават различни гени, свързани с митохондриите, ядреният геном реагира по подобен начин на много различни генетични промени. Все още стои въпросът, защо митохондриите имат собствена ДНК.

В бъдеще изследователите се надяват да използват Perturb-seq върху различни типове клетки освен раковата клетъчна линия, с която са започнали. Те също така се надяват да продължат да изследват своята карта на генните функции. Това е кулминацията на многогодишната работа на автори и сътрудници, и трябва да продължава да се развива.