In einem beispiellosen Atlas beginnen Forscher zu kartieren, wie Gene in verschiedenen Zellen ein- oder ausgeschaltet werden, ein Schritt zum besseren Verständnis der Zusammenhänge zwischen Genetik und Krankheit.
Forscher der University of California San Diego haben einen einzelligen Chromatin-Atlas für das menschliche Genom erstellt. Chromatin ist ein Komplex von DNA und Protein, das in eukaryontischen Zellen gefunden wird; Chromatinregionen an wichtigen Genregulationselementen erscheinen in offenen Konfigurationen innerhalb bestimmter Zellkerne. Die genaue Abgrenzung dieser zugänglichen Chromatinregionen in Zellen verschiedener menschlicher Gewebetypen wäre ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Rolle von Genregulationselementen (nicht kodierende DNA) für die menschliche Gesundheit oder Krankheit.
Die Ergebnisse werden in der Ausgabe vom 12. November 2021 online veröffentlicht Zelle.
Für Wissenschaftler ist das menschliche Genom, das im Volksmund „Buch des Lebens“ genannt wird, größtenteils ungeschrieben. Oder zumindest ungelesen. Während die Wissenschaft bekanntlich alle proteincodierenden Gene, die zum Bau eines Menschen erforderlich sind, mit einer (ungefähren) Zahl beziffert hat, etwa 20.000+, erklärt diese Schätzung nicht wirklich, wie genau der Bauprozess funktioniert oder im Falle einer Krankheit , es könnte schief gehen.
„Das menschliche Genom wurde vor 20 Jahren sequenziert, aber die Bedeutung dieses Buches des Lebens zu interpretieren ist weiterhin eine Herausforderung“, sagte Bing Ren, PhD, Direktor des Center for Epigenomics, Professor für Zell- und Molekularmedizin an der UC San Diego School of Medizin und Mitglied des Ludwig Institute for Cancer Research der UC San Diego.
„Ein Hauptgrund ist, dass der Großteil der menschlichen DNA-Sequenz, mehr als 98 Prozent, nicht für Proteine kodiert und wir noch kein genetisches Codebuch haben, um die in diesen Sequenzen eingebetteten Informationen zu entschlüsseln.“
Anders ausgedrückt, es ist ein bisschen so, als würde man Kapiteltitel kennen, aber der Rest der Seiten bleibt leer.
Die Bemühungen, die Lücken auszufüllen, werden im Großen und Ganzen in einer fortlaufenden internationalen Initiative namens Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE) erfasst und umfassen die Arbeit von Ren und Kollegen. Insbesondere haben sie die Rolle und Funktion von Chromatin untersucht, einem Komplex aus DNA und Proteinen, die im Kern eukaryontischer Zellen Chromosomen bilden.
Die DNA trägt die genetischen Anweisungen der Zelle. Die wichtigsten Proteine im Chromatin, Histone genannt, tragen dazu bei, die DNA in einer kompakten Form fest zu verpacken, die in den Zellkern passt. (In jedem Zellkern befinden sich ungefähr zwei Meter DNA und in jedem menschlichen Körper ungefähr 16 Milliarden Meilen.) Veränderungen in der Art und Weise, wie Chromatin DNA bündelt, werden mit der DNA-Replikation und Genexpression in Verbindung gebracht.
Nach der Arbeit mit Mäusen wandten sich Ren und seine Mitarbeiter einem Einzelzellatlas des Chromatins im menschlichen Genom zu.
Sie wendeten Assays an mehr als 600.000 menschlichen Zellen an, die aus 30 erwachsenen menschlichen Gewebetypen von mehreren Spendern entnommen wurden, und integrierten diese Informationen dann mit ähnlichen Daten von 15 fötalen Gewebetypen, um den Status von Chromatin bei ungefähr 1,2 Millionen Kandidaten für cis-regulatorische Elemente in 222 verschiedenen Zelltypen.
„Eine der anfänglichen Herausforderungen bestand darin, die besten experimentellen Bedingungen für so unterschiedliche Probentypen zu identifizieren, insbesondere angesichts der einzigartigen Zusammensetzung und Empfindlichkeit jedes Gewebes gegenüber Homogenisierung“, sagte der Co-Autor der Studie, Sebastian Preissl, PhD, Associate Director for Single Cell Genomics at UC San Diego Center for Epigenomics, ein Sonderforschungszentrum, das die Assays durchführte.
Cis-regulatorische Elemente sind Regionen nicht-kodierender DNA, die die Transkription regulieren (das Kopieren eines DNA-Segments in RNA) benachbarter Gene. Die Transkription ist der wesentliche Prozess, der genetische Informationen in Aktion umwandelt.
„Studien des letzten Jahrzehnts haben gezeigt, dass Sequenzvariationen in nicht-kodierender DNA ein wichtiger Faktor für multigene Merkmale und Krankheiten in der menschlichen Bevölkerung sind, wie Diabetes, Alzheimer‘-Krankheit und Autoimmunerkrankungen“, sagte Kyle J. Gaulton, PhD, Co-Autor der Studie, Assistenzprofessor in der Abteilung für Pädiatrie der UC San Diego School of Medicine.
„Ein neues Paradigma, das erklärt, wie diese nicht-kodierenden Varianten zu Krankheiten beitragen, geht davon aus, dass diese Sequenzänderungen die Funktion transkriptionaler Regulationselemente stören und zu einer Fehlregulation der Genexpression in krankheitsrelevanten Zelltypen wie Neuronen, Immunzellen oder Epithelzellen führen.“ sagte Co-Erstautor Kai Zhang, PhD, ein Postdoktorand in der Abteilung für Zelluläre und Molekulare Medizin. „Ein großes Hindernis für die Erschließung der Funktion nichtkodierender Risikovarianten ist jedoch das Fehlen zelltypspezifischer Karten transkriptionaler regulatorischer Elemente im menschlichen Genom.“
Ren sagte, die neuen Ergebnisse identifizieren krankheitsmerkmalrelevante Zelltypen für 240 multigene Merkmale und Krankheiten und kommentieren das Risiko nicht kodierender Varianten.
„Wir glauben, dass diese Ressource die Untersuchung der Mechanismen eines breiten Spektrums menschlicher Krankheiten für viele Jahre erheblich erleichtern wird.“
Preissl sagte, der Chromatin-Atlas werde es der wissenschaftlichen Gemeinschaft auch ermöglichen, gewebeumgebungsspezifische Unterschiede von Zelltypen zu enträtseln, die sich in mehreren Geweben befinden, wie Fibroblasten, Immunzellen oder Endothelzellen.
Referenz: „Ein Einzelzellatlas der Chromatinzugänglichkeit im menschlichen Genom“ von Kai Zhang, James D. Hocker, Michael Miller, Xiaomeng Hou, Joshua Chiou, Olivier B. Poirion, Yunjiang Qiu, Yang E. Li, Kyle J. Gaulton, Allen Wang, Sebastian Preissl und Bing Ren, 12. November 2021, Zelle.
DOI: 10.1016/j.cell.2021.10.024
Co-Autoren sind: James D. Hocker und Yang E. Li, Ludwig Institute for Cancer Research und UC San Diego; Michael Miller, Hiaomeng Hou, Joshua Chiou, Olivier B. Poirion und Allen Wang, alle an der UC San Diego; und Yunjiang Qiu, Ludwig Institut für Krebsforschung, La Jolla.
Die Finanzierung dieser Forschung kam teilweise vom Ludwig Institut für Krebsforschung, dem National Human Genome Research Institute (GRANT 3U54HG006997-04S2), der Foundation for the National Institutes of Health (AMP T2D RFP14), dem Ruth L. Kirschstein Institutional National Wissenschaftsforschungspreis des National Institute of General Medical Sciences (T32 GM008666).