Forskare vid Weill Cornell Medicine och New York Genome Center har i samarbete med Oxford Nanopore Technologies utvecklat en ny metod för att i stor skala bedöma den tredimensionella strukturen hos det mänskliga genomet, eller hur genomet viker sig. Ett genom är den kompletta uppsättningen av genetiska instruktioner, DNA eller RNA, som får en organism att fungera.
Med denna metod visade forskarna att cellulär funktion, inklusive genuttryck, inte kan påverkas av par av dessa komponenter, utan av grupper av regulatoriska element som interagerar samtidigt i genomet. Deras resultat, publicerade 30 maj i tidskriften Nature Biotechnology, kan bidra till att kasta ljus över förhållandet mellan genomstruktur och cellidentitet.
“Att känna till genomets tredimensionella struktur kommer att hjälpa forskare att bättre förstå hur genomet fungerar, särskilt hur det kodar för olika cellidentiteter”, säger seniorförfattaren Dr. Core-medlem i Weill Cornell Medicine och New York Genome Center. “Sätten vi behöver för att studera genomstrukturen har gett oss fantastiska insikter, men det finns också grundläggande begränsningar,” sa han.
Till exempel, tidigare teknik för att bedöma den tredimensionella strukturen av genomet gjorde det möjligt för forskare att studera hur ofta två loci, eller fysiska platser i genomet, interagerar med varandra. Traditionellt har par av loci, kallade förstärkare och promotorer, observerats som komponenter i genomet som interagerar med varandra för att påverka genuttryck.
Information om dessa parningar ger ofullständig information om genomets struktur och funktion. Det var till exempel svårt att relatera ett vikningsmönster till hur genomet kodar för en specifik cellidentitet, såsom en lever-, lung- eller epitelcell, säger Imieliński, som också är medlem i UK Institute of Precision Medicine och Sandra och Sandra. Edward Meyer Cancer Center vid Weill Cornell Medicine. Forskare teoretiserade att denna veckning påverkar genuttryck. “Men hur celltyper kodas, särskilt i strukturen av DNA, förblir ett mysterium,” sa han.
Imielinski och hans forskargrupp, inklusive första författaren Aditya Deshpande, en Tri-Institutionell Ph.D. Programmet Computational Biology and Medicine, som arbetar i Imielińskis labb, utvecklade en ny genomomfattande analys och algoritm som gjorde det möjligt för dem att studera inte bara par utan också grupper av loci.
De anpassade Hi-C (chromatin conformation capture), en traditionell teknologi som utvärderar en blandning av DNA och protein, till nanopore-sekvensering, eller high-throughput-sekvensering av långa, kontinuerliga strängar av DNA-molekyler, för att analysera den tredimensionella genomstrukturen. Den resulterande analysen, som forskarna kallade Pore-C, gjorde det möjligt för dem att observera tiotals miljoner tredimensionella kluster av loci.
De utvecklade också statistiska metoder för att avgöra vilka grupper av loci som var viktiga baserat på om de interagerade för att påverka genuttrycket. “Många tredimensionella interaktioner av genomet är inte viktiga”, säger Imieliński. “Våra analytiska metoder hjälper till att prioritera gruppinteraktioner som kan vara viktiga för genomets funktion.” I ett nyckelfynd av studien fann forskarna att de mest betydande samarbetsklustren av DNA-element bildades kring gener associerade med cellidentitet.
Framtida experiment kommer att undersöka vilka specifika grupper av genomiska komponenter som är viktiga för olika aspekter av cellidentitet. Den nya tekniken kan också hjälpa forskare att förstå hur stamceller, kroppens omogna, masterceller, differentierar till olika celltyper.
Dessutom kan forskare bättre förstå avvikelser i cancerceller. “I framtiden kan den här tekniken vara riktigt användbar för att förstå hur cancercellernas arvsmassa omarrangeras och hur dessa förändringar driver de förändrade cellidentiteterna som tillåter cancer att växa och spridas,” sa han.
Heather Lindsey är frilansskribent för Weill Cornell Medicine.
