Картирование «тёмных» участков генома показывает, как клетки реагируют на среду

Исследователи из Университета Дьюка использовали технологии CRISPR для обнаружения ранее не аннотированных участков ДНК в «тёмном геноме», которые отвечают за контроль того, как клетки ощущают и реагируют на механические свойства своего локального окружения.

Понимание того, как эти последовательности ДНК влияют на идентичность и функцию клеток, может дать исследователям новые терапевтические мишени для заболеваний, связанных с изменением механических свойств тканей, включая фиброз, рак и инсульт, а также долгосрочные проблемы, такие как нейродегенерация и даже старение. Исследование опубликовано в журнале Science.

  • Роль механических стимулов: Механические стимулы из микроокружения клетки являются мощными регуляторами многих фундаментальных клеточных процессов. Однако точные механизмы их действия оставались плохо изучены.
  • Проблема «тёмного генома»: Только 1–2% генома кодирует гены. Остальные 98% («тёмный геном») играют важную роль, часто выступая в качестве энхансеров — регуляторных элементов, усиливающих или ослабляющих активность генов. Их локализация и функции в контексте взаимодействия клетки со средой были в значительной степени неизвестны.

Экспериментальный подход:

  1. Моделирование среды: Команда создала гидрогели, имитирующие ткани разной жёсткости, и культивировала на них клетки.
  2. Анализ изменений: Использовались методы секвенирования для количественной оценки уровней РНК и картирования областей открытого хроматина (доступной ДНК).
  3. Результат: «Уже через 20 часов на разных гелях мы наблюдали изменения в уровнях тысяч генов и в структуре почти пятидесяти тысяч областей генома», — отметил Брент Хоффман. Это подчёркивает глубокое влияние механического микроокружения на биологию клетки.
  4. Функциональная проверка с CRISPR: Для определения того, какие из изменённых областей «тёмного» генома действуют как функциональные энхансеры, команда использовала CRISPR для подавления активности каждого участка ДНК и оценки влияния на рост и миграцию клеток.

Открытие «механоэнхансеров»:

Области, которые:

  • меняли структуру в ответ на механические свойства среды,
  • влияли на рост и/или миграцию клеток,
  • контролировали уровни специфических генов, были названы «механоэнхансерами», отражая их роль в регуляции клеточного ответа на механическое окружение.

Клиническая значимость и дальнейшие шаги:

  • Сотрудничество с экспертами показало, что механическая среда действительно изменяет контакт механоэнхансеров с их генами-мишенями.
  • Анализ биопсий лёгких при идиопатическом легочном фиброзе (ИЛФ) выявил активность механоэнхансеров, контролирующих гены, связанные с болезнью.
  • Картирование этих механоэнхансеров может улучшить понимание механизмов таких заболеваний, как фиброз и рак, и потенциально привести к новым мишеням для лекарств.
  • Будущая работа будет сосредоточена на изучении вариаций механоэнхансеров в разных типах клеток, при заболеваниях и с возрастом, а также на их использовании в качестве прямых мишеней для генетических терапий.