Регуляторы укладки ДНК могут стать мишенями для лечения рака
В ядре клетки человека, размером с пылинку, упаковано около 2 метров ДНК. Она организована не в хаотичный клубок, а в сложные слои петель, которые складываются и разворачиваются в ответ на сигналы клетки. Трехмерная структура генома определяет, какие гены активны в данный момент.
Как именно поддерживается эта структура, до конца не ясно, а её аномалии связаны с раком и нарушениями развития. Поиск контролирующих её факторов может указать на новые мишени для терапии.
В новом исследовании, опубликованном в Nature Methods, учёные из Йеля выявили 21 регулятор структуры генома, 19 из которых связаны с заболеваниями. Они разработали комбинацию передовых методов, задающую новый стандарт точности и эффективности.
«Наш подход позволил создать первую скрининговую платформу для регуляторов многоуровневой 3D-организации генома», — говорит Сыюань (Стивен) Ван, старший автор исследования.
Поиск регуляторов структуры генома
В ядре ДНК обвивается вокруг белков, образуя хроматин. Гены в плотно скрученном хроматине неактивны. Регуляторы хроматина, разворачивая или уплотняя ДНК, контролируют экспрессию генов, деление клеток и репарацию повреждений ДНК.
В 2016 году Ван с коллегами создали первый метод визуализации 3D-геномики — chromatin tracing. В новом исследовании они объединили его с пул-скринингом CRISPR (инактивация отдельных генов) и создали систему штрихкодирования BARC-FISH для идентификации клеток с выключенными генами. Это позволило увидеть структурные изменения в ДНК после каждой генной «поломки».
«По сути, мы делаем снимок того, как выглядит сложенная ДНК при каждом воздействии на ген», — объясняет Ван.
Метод позволяет сравнивать множество генов-кандидатов одновременно. В этом исследовании протестировали 137 генов, но метод масштабируем: «Мы могли бы сделать в 10 раз больше», — отмечает Ван.
Гены, связанные с болезнями, регулируют структуру генома
Исследователи протестировали гены, вовлечённые в клеточное старение (у старых клеток структура генома изменена), и гены, кодирующие белки ядра (они с большей вероятностью регулируют структуру генома).
Исследование выявило 21 новый регуляторный ген, большинство из которых уже известны своей ролью в заболеваниях. Например, ген RB1, мутации которого вызывают ретинобластому (рак глаза), также был идентифицирован как регулятор хроматина.
Особое внимание привлёк ген CHD7, мутации которого вызывают синдром CHARGE, поражающий многие органы. Ранее было известно, что белок CHD7 разворачивает хроматин на ранних стадиях развития, делая гены доступными.
В этом исследовании обнаружили, что CHD7 может действовать и наоборот.
«Мы обнаружили, что на большом масштабе длины белки CHD7 фактически уплотняют хроматин», — говорит Ван.
Это указывает, что один и тот же ген может по-разному модифицировать хроматин в зависимости от масштаба. CHD7, воздействуя на удалённые гены, уплотняет хроматин, что снижает общую экспрессию генов. Дефицит CHD7 может увеличить общую экспрессию генов в клетке, возможно, чрезмерно.
«Это может объяснить, почему мутации CHD7 приводят к таким сложным фенотипам», — говорит Ван.
CHD7 также тесно связан с геном, ассоциированным с расстройством аутистического спектра, для которого также характерны сложные и varied симптомы.
Сейчас Ван и коллеги готовятся представить первый атлас 3D-генома единичных клеток при раке у мышей, используя метод chromatin tracing. Препринт на bioRxiv описывает изменения структуры ДНК в клетках рака лёгкого и поджелудочной железы на протяжении прогрессирования болезни. Гены, управляющие этими изменениями, — перспективные терапевтические мишени.
«Что, если мы обратим изменения 3D-генома, происходящие при раке? Приведёт ли это к лучшему исходу? Эти открытия открывают много возможностей», — говорит Ван.