Att förstå hur gener regleras på molekylär nivå är en central utmaning inom modern biologi. Denna komplexa mekanism drivs huvudsakligen av interaktionen mellan proteiner som kallas transkriptionsfaktorer, DNA-reglerande regioner och epigenetiska modifieringar - kemiska förändringar som förändrar kromatinstrukturen. Uppsättningen av epigenetiska modifieringar av en cells genom kallas epigenomet.

I en studie som just publicerats i Nature Genetics , har forskare från Hackett-gruppen vid EMBL Rom utvecklat en modulär epigenomredigeringsplattform - ett system för att programmera epigenetiska modifieringar var som helst i genomet. Systemet tillåter forskare att studera effekten av varje kromatinmodifiering på transkription, mekanismen genom vilken gener kopieras till mRNA för att driva proteinsyntes.

Kromatinmodifieringar tros bidra till regleringen av viktiga biologiska processer som utveckling, respons på miljösignaler och sjukdomar.

För att förstå effekterna av specifika kromatinmärken på genreglering har tidigare studier kartlagt deras fördelning i genomen hos friska och sjuka celltyper. Genom att kombinera dessa data med genuttrycksanalys och de kända effekterna av att störa specifika gener, har forskare tillskrivit sådana kromatinmärken funktioner.

Det kausala sambandet mellan kromatinmärken och genreglering har dock visat sig vara svårt att fastställa. Utmaningen ligger i att dissekera de individuella bidragen från de många komplexa faktorer som är involverade i sådan reglering – kromatinmärken, transkriptionsfaktorer och regulatoriska DNA-sekvenser.

Forskare från Hackett Group utvecklade ett modulärt epigenomredigeringssystem för att exakt programmera nio biologiskt viktiga kromatinmärken i vilken region som helst i genomet. Systemet är baserat på CRISPR – en allmänt använd genomredigeringsteknik som gör det möjligt för forskare att göra ändringar på specifika DNA-platser med hög precision och noggrannhet.

Sådana exakta störningar gjorde det möjligt för dem att noggrant dissekera orsak-och-följd-samband mellan kromatinmärken och deras biologiska effekter. Forskarna designade och använde också ett "reportersystem", som gjorde det möjligt för dem att mäta förändringar i genuttryck på encellsnivå och att förstå hur förändringar i DNA-sekvensen påverkar effekten av varje kromatinmärke. Deras resultat avslöjar orsaksrollerna för en rad viktiga kromatinmärken i genreglering.

Till exempel hittade forskarna en ny roll för H3K4me3, ett kromatinmärke som tidigare troddes vara ett resultat av transkription. De observerade att H3K4me3 faktiskt kan öka transkriptionen av sig självt om den på konstgjord väg läggs till specifika DNA-platser.

"Detta var ett extremt spännande och oväntat resultat som gick emot alla våra förväntningar", säger Cristina Policarpi, postdoc i Hackett Group och ledande forskare i studien. "Våra data pekar mot ett komplext regulatoriskt nätverk, där flera styrande faktorer interagerar för att modulera nivåerna av genuttryck i en given cell. Dessa faktorer inkluderar den redan existerande strukturen av kromatinet, den underliggande DNA-sekvensen och platsen i genom."

Hackett och kollegor undersöker för närvarande möjligheter att dra nytta av denna teknik genom ett lovande nystartat företag. Nästa steg blir att bekräfta och utöka dessa slutsatser genom att rikta in sig på gener över olika celltyper och i skala. Hur kromatinmärken påverkar transkription över mångfalden av gener och nedströmsmekanismer återstår också att klargöra.

"Vår modulära epigenetiska redigeringsverktygssats utgör ett nytt experimentellt tillvägagångssätt för att dissekera de ömsesidiga relationerna mellan genomet och epigenomet", säger Jamie Hackett, gruppledare vid EMBL Rome. "Systemet skulle kunna användas i framtiden för att mer exakt förstå vikten av epigenomiska förändringar för att påverka genaktivitet under utveckling och vid mänskliga sjukdomar.

"Å andra sidan låser tekniken också upp förmågan att programmera önskade genuttrycksnivåer på ett mycket avstämbart sätt. Detta är en spännande väg för precisionshälsotillämpningar och kan visa sig användbar i sjukdomsmiljöer."

Mer information: Systematisk epigenomredigering fångar den kontextberoende instruktiva funktionen hos kromatinmodifieringar, naturgenetik (2024). DOI:10.1038/s41588-024-01706-w

Journalinformation: Naturgenetik

Tillhandahålls av European Molecular Biology Laboratory