Struktura jądra komórkowego od dawna służy jako widoczna wskazówka określająca, czy komórka jest zdrowa, czy też dotknięta chorobą. Chociaż naukowcy poczynili znaczne postępy w zrozumieniu genów i ich funkcji, znacznie trudniej było bezpośrednio powiązać to, co widzimy pod mikroskopem, z tym, co dzieje się w naszym DNA. Teraz nowa metoda pomaga połączyć te dwa światy.
Dr Ajay Labade, dr Zachary Chiang i Caroline Comenho oraz badacze pod kierunkiem dr Jasona Buenrostro z Uniwersytetu Harvarda opracowali nową technikę zwaną sekwencjonowaniem genomu ekspansji in situ (ExIGS), która polega na sekwencjonowaniu DNA bezpośrednio wewnątrz komórek przy jednoczesnym zachowaniu ich naturalnej struktury. Badanie opublikowano w czasopiśmie Science.
ExIGS daje badaczom możliwość niezwykle szczegółowego przyjrzenia się zarówno DNA, jak i ważnym białkom wewnątrz jądra – centrum kontroli komórki. W przeciwieństwie do wcześniejszych technik, ta pozwala naukowcom faktycznie zobaczyć, jak cząsteczki są rozmieszczone w przestrzeni i jak wchodzą w interakcje. Zespół wykorzystał tę metodę do badania komórek osób cierpiących na zespół progerii Hutchinsona-Gilforda (HGPS), rzadką chorobę powodującą szybkie starzenie się dzieci.
Odkryli nieoczekiwany związek między nieprawidłowymi kształtami jąder komórkowych a wyciszeniem niektórych genów. W zdrowych komórkach euchromatyna, luźno upakowana i aktywna forma DNA, w której włączone są geny, utrzymuje komórkę w prawidłowym funkcjonowaniu. Jednak w komórkach progerii stwierdzono, że ten typowo aktywny DNA jest wyłączony w pewnych obszarach. Sugeruje to, że zmiany w kształcie jądra mogą wystarczyć do wyłączenia ważnych genów.
„Nieprawidłowości w laminach są powiązane z gorącymi punktami nieprawidłowej represji euchromatyny, która może osłabić tożsamość komórek” – powiedział dr Buenrostro. Białka laminowe stanowią część podporowej powłoki jądra. Oznacza to, że gdy ta struktura podporowa ulegnie zniszczeniu, może wyciszyć geny, które nadają komórkom ich wyjątkowe role.
Aby potwierdzić wiarygodność swojej metody, naukowcy wykazali, że ExIGS utrzymuje nienaruszoną naturalną strukturę jądra, zapewniając jednocześnie znacznie ostrzejsze szczegóły – około dziesięć razy więcej niż wcześniejsze metody sekwencjonowania. Połączyli to ze znakowaniem fluorescencyjnym, czyli sposobem nadawania blasku określonym cząsteczkom, co umożliwia ich śledzenie, aby zobaczyć, jak chromosomy – struktury utrzymujące DNA – poruszają się i jak te zmiany są powiązane z aktywnością genów.
„Obecność nieprawidłowości w laminowaniu wiąże się ze zwiększoną częstotliwością występowania zakłóconych dzielnic” – stwierdził dr Labade. Zauważył, że choć nieprawidłowości te są wyraźnie powiązane ze zmianami w aktywności genów, nie przyciągają one bezpośrednio do nich euchromatyny. Zamiast tego efekt jest bardziej niejednolity i lokalny, a nie wpływa równomiernie na całe jądro.
Ich obserwacje wykazały, że nawet w obrębie pojedynczej komórki nie można było przewidzieć obszarów dotkniętych tymi zmianami strukturalnymi. Te problematyczne miejsca były rozproszone i zwykle dotyczyły regionów genomu – pełnego zestawu materiału genetycznego – biorących udział w komunikacji między komórkami. Ta losowość może sprawić, że efekty będą trudniejsze do naprawienia.
Dr Chiang tak wspomina lata wysiłków, jakie wymagały, aby osiągnąć ten punkt: “Ten projekt zaczął się od szalonego pomysłu: że moglibyśmy bezpośrednio sekwencjonować genomy w jądrze. Nigdy nie trafiłby nigdzie poza środowiskiem akademickim, gdzie spędziliśmy 7 żmudnych lat, urzeczywistniając to.” Zastanawiał się także nad znaczeniem ciągłego finansowania tego rodzaju nauki obarczonej wysokim ryzykiem i przynoszącej duże korzyści. Chociaż projekt otrzymał najwyższe oceny w krajowym konkursie na finansowanie badań, wsparcie to zostało nagle wycofane ze względu na szersze kwestie polityczne mające wpływ na budżety nauki.
Znaczenie tego nowego narzędzia wykracza daleko poza jedną chorobę. ExIGS otwiera drzwi do zbadania, w jaki sposób zmiany w kształcie i strukturze jądra mogą odgrywać rolę w starzeniu się, nowotworach i wielu innych schorzeniach. Umożliwia ostateczne powiązanie tego, co widzimy pod mikroskopem, z zachowaniem naszych genów.
Odniesienie do czasopisma
Labade AS, Chiang ZD, Comenho C., Reginato PL, Payne AC, Earl AS, Shrestha R., Duarte FM, Habibi E., Zhang R., Church GM, Boyden ES, Chen F., Buenrostro JD „Ekspansja sekwencjonowania genomu in situ łączy nieprawidłowości jądrowe z punktami zapalnymi nieprawidłowej represji euchromatyny”. bioRxiv, 2024. DOI: https://doi.org/10.1101/2024.09.24.614614
O Autorach
Doktor Jason Buenrostro jest wiodącym badaczem w dziedzinie regulacji genów i genomiki pojedynczych komórek. Pracuje na Uniwersytecie Harvarda i w Broad Institute. Jest pionierem kilku technik ujawniających, w jaki sposób komórki organizują i regulują swoje DNA, w tym szeroko przyjętej metody ATAC-seq. Jego praca koncentruje się na opracowywaniu technologii łączących układ przestrzenny genomu z jego stanem funkcjonalnym, mając na celu zrozumienie, w jaki sposób procesy te przebiegają nieprawidłowo w przypadku chorób takich jak rak i starzenie się. Dr Buenrostro jest głęboko zaangażowany w szkolenie kolejnego pokolenia naukowców i promowanie otwartych, innowacyjnych środowisk badawczych. Jego interdyscyplinarne podejście łączy biologię molekularną, bioinżynierię i nauki obliczeniowe.
Doktor Zack Chiang jest badaczem zajmującym się genomiką, znanym ze swojego wkładu w przestrzenną analizę genomu i mapowanie DNA w wysokiej rozdzielczości w poszczególnych komórkach. Jako naukowiec na Uniwersytecie Harvarda i w Broad Institute odegrał kluczową rolę w opracowaniu metody Expansion in situ Genome Sequencing (ExIGS), metody wizualizacji DNA i białek jądrowych z precyzją w skali nano. Jego zainteresowania badawcze leżą na skrzyżowaniu rozwoju technologii i odkryć biologicznych, szczególnie w zakresie wpływu zmian fizycznych w komórce na aktywność genów. Dr Chiang jest także zwolennikiem solidnego finansowania akademickiego i przejrzystych praktyk badawczych. Niedawno ogłosił swoje odejście ze środowiska akademickiego, zastanawiając się nad wyzwaniami związanymi z utrzymaniem ambitnych, długoterminowych projektów w zmieniającym się krajobrazie naukowym.
Doktor Ajay Labade jest biologiem molekularnym i innowatorem technologii specjalizującym się w sekwencjonowaniu genomu i przestrzennej analizie komórek. Na Uniwersytecie Harvarda i Broad Institute współtworzył ExIGS, nowatorską metodę, która pozwala naukowcom badać fizyczną i funkcjonalną organizację genomu w nienaruszonych komórkach. Koncentrując się mocno na naukach podstawowych i rygorze eksperymentalnym, dr Labade spędził lata na udoskonalaniu narzędzi łączących mikroskopijne struktury komórkowe z wielkoskalowymi wzorcami genetycznymi. Jego podejście łączy eksperymenty w mokrym laboratorium z zaawansowanym obrazowaniem i modelowaniem obliczeniowym. Głęboko wierząc w siłę nauki napędzanej ciekawością, dr Labade podkreślił znaczenie wolności akademickiej i długoterminowych inwestycji w badania obarczone wysokim ryzykiem i przynoszące wysoką nagrodę.
Karolina Comenho jest wschodzącym naukowcem w dziedzinie genomiki komórkowej, wnoszącym znaczący wkład w rozwój technik sekwencjonowania genomu o wysokiej rozdzielczości. W Broad Institute i Harvard University współpracowała nad platformą ExIGS, która pozwala na precyzyjne przestrzenne mapowanie DNA w jądrze komórkowym. Jej praca koncentruje się na zrozumieniu, w jaki sposób struktura jądra wpływa na ekspresję genów, szczególnie w przypadku starzenia się i schorzeń związanych z chorobami. Comenho łączy wiedzę z zakresu biologii molekularnej z mocnymi podstawami w technologiach obrazowania, pomagając wypełnić lukę między danymi sekwencjonowania a wizualnymi cechami komórek. Reprezentuje nową falę badaczy napędzanych zarówno innowacjami technicznymi, jak i wiedzą biologiczną.
