Begrijpen hoe genen op moleculair niveau worden gereguleerd, is een centrale uitdaging in de moderne biologie. Dit complexe mechanisme wordt voornamelijk aangedreven door de interactie tussen eiwitten die transcriptiefactoren worden genoemd, DNA-regulerende regio's en epigenetische modificaties - chemische veranderingen die de chromatinestructuur veranderen. De reeks epigenetische modificaties van het genoom van een cel wordt het epigenoom genoemd.

In een onderzoek dat zojuist is gepubliceerd in Nature Genetics hebben wetenschappers van de Hackett Group van EMBL Rome een modulair epigenoombewerkingsplatform ontwikkeld:een systeem om epigenetische modificaties op elke locatie in het genoom te programmeren. Met het systeem kunnen wetenschappers de impact van elke chromatinemodificatie op transcriptie bestuderen, het mechanisme waarmee genen in mRNA worden gekopieerd om de eiwitsynthese aan te sturen.

Aangenomen wordt dat chromatinemodificaties bijdragen aan de regulatie van belangrijke biologische processen zoals ontwikkeling, reactie op omgevingssignalen en ziekten.

Om de effecten van specifieke chromatinemarkeringen op genregulatie te begrijpen, hebben eerdere onderzoeken hun verspreiding in de genomen van gezonde en zieke celtypen in kaart gebracht. Door deze gegevens te combineren met analyse van genexpressie en de bekende effecten van het verstoren van specifieke genen, hebben wetenschappers functies aan dergelijke chromatinemarkeringen toegeschreven.

Het causale verband tussen chromatinemarkeringen en genregulatie is echter moeilijk te bepalen gebleken. De uitdaging ligt in het ontleden van de individuele bijdragen van de vele complexe factoren die betrokken zijn bij dergelijke regulatie:chromatinemarkeringen, transcriptiefactoren en regulerende DNA-sequenties.

Wetenschappers van de Hackett Group hebben een modulair epigenoombewerkingssysteem ontwikkeld om negen biologisch belangrijke chromatinemarkeringen nauwkeurig te programmeren op elke gewenste regio in het genoom. Het systeem is gebaseerd op CRISPR, een veelgebruikte genoombewerkingstechnologie waarmee onderzoekers met hoge precisie en nauwkeurigheid wijzigingen kunnen aanbrengen op specifieke DNA-locaties.

Dergelijke precieze verstoringen stelden hen in staat oorzaak-en-gevolgrelaties tussen chromatinemarkeringen en hun biologische effecten zorgvuldig te ontleden. De wetenschappers ontwierpen en gebruikten ook een ‘reportersysteem’, waarmee ze veranderingen in genexpressie op eencellig niveau konden meten en konden begrijpen hoe veranderingen in de DNA-sequentie de impact van elk chromatinemerk beïnvloeden. Hun resultaten onthullen de causale rol van een reeks belangrijke chromatinekenmerken bij genregulatie.

De onderzoekers vonden bijvoorbeeld een nieuwe rol voor H3K4me3, een chromatinemerk waarvan eerder werd aangenomen dat het een resultaat was van transcriptie. Ze merkten op dat H3K4me3 de transcriptie op zichzelf kan verhogen als het kunstmatig wordt toegevoegd aan specifieke DNA-locaties.

"Dit was een uiterst opwindend en onverwacht resultaat dat tegen al onze verwachtingen inging", zegt Cristina Policarpi, postdoc bij de Hackett Group en leidend wetenschapper van het onderzoek. “Onze gegevens wijzen in de richting van een complex regulerend netwerk, waarin meerdere bepalende factoren samenwerken om de niveaus van genexpressie in een bepaalde cel te moduleren. Deze factoren omvatten de reeds bestaande structuur van het chromatine, de onderliggende DNA-sequentie en de locatie in de cel. genoom."

Hackett en collega's onderzoeken momenteel mogelijkheden om deze technologie te benutten via een veelbelovende start-up. De volgende stap zal zijn om deze conclusies te bevestigen en uit te breiden door genen in verschillende celtypen en op schaal te targeten. Hoe chromatinemarkeringen de transcriptie over de diversiteit van genen en stroomafwaartse mechanismen beïnvloeden, moet ook nog worden opgehelderd.

"Onze modulaire toolkit voor epigenetische bewerking vormt een nieuwe experimentele benadering om de wederkerige relaties tussen het genoom en het epigenoom te ontleden", zegt Jamie Hackett, groepsleider bij EMBL Rome. "Het systeem zou in de toekomst kunnen worden gebruikt om het belang van epigenomische veranderingen bij het beïnvloeden van genactiviteit tijdens de ontwikkeling en bij ziekten bij de mens nauwkeuriger te begrijpen.

"Aan de andere kant ontsluit de technologie ook de mogelijkheid om gewenste genexpressieniveaus op een zeer afstembare manier te programmeren. Dit is een opwindende weg voor precisiegezondheidstoepassingen en kan nuttig blijken in ziekteomgevingen."

Meer informatie: Systematische epigenoombewerking legt de contextafhankelijke instructieve functie van chromatinemodificaties vast, natuurgenetica (2024). DOI:10.1038/s41588-024-01706-w

Journaalinformatie: Natuurgenetica

Geleverd door het Europees Laboratorium voor Moleculaire Biologie