Search
מודל חדש מנבא סיכון מיאלומה אינדיבידואלי ותגובת טיפול

חוקרים יוצרים גרסאות אקראיות של גנום אנושי לחקר מחלות

ההנדסה המורכבת ביותר של קווי תאים אנושיים אי פעם הושגה על ידי מדענים, וחשפה כי הגנום שלנו עמיד יותר לשינויים מבניים משמעותיים ממה שחשבו בעבר.

חוקרים ממכון וולקום סנגר, אימפריאל קולג 'לונדון, אוניברסיטת הרווארד בארה"ב ומשתפי הפעולה שלהם השתמשו בעריכה של CRISPR Prime כדי ליצור גרסאות מרובות של גנומים אנושיים בקווי תאים, לכל אחד מהם שינויים מבניים שונים. בעזרת רצף גנום הם הצליחו לנתח את ההשפעות הגנטיות של וריאציות מבניות אלה על הישרדות התאים.

המחקר, שפורסם היום (30 בינואר) ב מַדָעמראה כי כל עוד גנים חיוניים נשארים שלמים, הגנום שלנו יכול לסבול שינויים מבניים משמעותיים, כולל מחיקות גדולות של הקוד הגנטי. העבודה פותחת את הדלת ללימוד ולחיזוי של תפקיד השונות המבנית במחלות.

וריאציה מבנית היא שינוי במבנה הגנום של האורגניזם, כמו מחיקות, כפילויות והיפוכים של הרצף הגנטי. שינויים מבניים אלה בגנום יכולים להיות משמעותיים, ולעתים משפיעים על מאות עד אלפי נוקלאוטידים רבים – אבני הבניין הבסיסיות של DNA ו- RNA.

גרסאות מבניות קשורות למחלות התפתחותיות וסרטן. עם זאת, היכולת שלנו ללמוד את ההשפעות של שונות מבנית בגנום של יונקים, והתפקיד שהם ממלאים במחלות, היה קשה בגלל חוסר היכולת להנדס שינויים גנטיים אלה.

כדי להתגבר על אתגר זה, חוקרי מכון סנגר ומשתפי הפעולה שלהם התכוונו לפתח גישות חדשות ליצירה ולימוד וריאציה מבנית.

במחקר חדש, הצוות השתמש בשילוב של עריכה ראשונית של CRISPR וקווי תאים אנושיים – קבוצות של תאים אנושיים במנה – כדי לייצר אלפי גרסאות מבניות בגנום אנושי בתוך ניסוי יחיד.

לשם כך, החוקרים השתמשו בעריכה ראשונית כדי להכניס רצף זיהוי לגנום של קווי התאים האנושיים כדי למקד באמצעות רקומבינאז – אנזים שאפשר לצוות 'לדשדש' את הגנום. על ידי הכנסת ידיות רקומבינאזיות אלה לרצפים חוזרים ונשנים, שהם מאות ואלפי רצפים זהים בגנום, עם עורך ראשוני יחיד הם הצליחו לשלב עד כמעט 1,700 אתרי זיהוי רקומבינאז לכל קו תאים. זה הביא ליותר ממאה שינויים מבניים גנטיים גדולים בקנה מידה גדול לתא. זו הפעם הראשונה שניתן היה 'לדשדש' גנום של יונקים, במיוחד בקנה מידה זה.

לאחר מכן הצוות חקר את ההשפעות של הווריאציה המבנית על קווי התאים האנושיים. באמצעות רצף גנומי הצליח הצוות לצלם 'תמונות' של התאים האנושיים ואת הגנום 'הדשדוש' שלהם במהלך כמה שבועות, וצפייה באילו התאים שרדו ואילו מתו.

כצפוי, הם גילו שכאשר וריאציה מבנית מחקה גנים חיוניים, הדבר נבחר בכבדות כנגד והתאים מתו. עם זאת, הם מצאו שקבוצות של תאים עם מחיקות בקנה מידה גדול בגנום שנמנעו מגנים חיוניים שרדו.

הצוות ערך גם רצף RNA של קווי התאים האנושיים, המודדים את פעילות הגנים, המכונה ביטוי גנים. זה חשף כי נראה כי מחיקות רחבות היקף של הקוד הגנטי, במיוחד באזורים שאינם מקודדים, לא השפיעו על ביטוי הגנים של שאר התא.

החוקרים מציעים כי גנום אנושי סובלני ביותר לשונות מבנית, כולל גרסאות המשנות את מיקומם של מאות גנים, כל עוד לא נמחקים גנים חיוניים4 =ו בנוסף, הם שואלים אם חלק גדול מה- DNA שאינו מקודד בגנום אנושי ניתן לחלוק, אך יש צורך במחקר נוסף כי יש צורך במחיקות נוספות בקווי תאים רבים יותר.

במאמר קשור, שפורסם גם היום ב מַדָעלחוקרים מאוניברסיטת וושינגטון הייתה מטרה דומה ליצור גרסאות מבניות בהיקף נרחב ולחקור את השפעותיהם על הגנום האנושי. צוות זה השתמש בגישה שונה, והוסיף אתרי רקומבינאז לטרנספוזונים – אלמנטים גנטיים ניידים – שמשתלבים באופן אקראי בגנום של קווי תאים אנושיים ותאי גזע עובריים בעכבר.

בשיטה שלהם הם הדגימו כי ניתן לקרוא את ההשפעות של הגרסאות המבניות המושרות באמצעות רצף RNA של תאים יחיד. התקדמות זו סוללת את הדרך למסכים גדולים של השפעה על וריאנט מבני, מה שעלול לשפר את הסיווג של גרסאות מבניות שנמצאות בגנום אנושי ככפירה או משמעותית קלינית. שני המחקרים הגיעו למסקנות דומות כי גנום אנושי סובלני באופן מפתיע לכמה שינויים מבניים מהותיים, אם כי נותר לבחון את מלוא היקף הסובלנות הזו במחקרים עתידיים המאפשרים טכנולוגיות אלה.

בסך הכל, מחקר זה מציג עד היום את קווי התאים האנושיים המהונדסים ביותר. לראשונה, החוקרים מסוגלים ליצור גרסאות מבניות בגנום אנושי, בסולמות גדולים בניסוי יחיד, ולנתח את הגרסאות האקראיות הרבות של הגנום שלנו.

עבודה זו תגדיל את ההבנה שלנו את תפקיד גרסאות המבנה במחלות, מה שעלול להוביל בסופו של דבר לתחזיות שנעשות על האופן שבו גרסאות מבניות מזיקות יכולות להיות אצל אדם. מחקר זה עוזר גם לצמצם את טווח הגנום לבחינת וריאציה מבנית המובילה למחלות, במיוחד אם ניתן להוזיל DNA שאינו מקודד.

בנוסף עם הכלי החדש הזה, מדענים יכולים לייצר קווי תאים חדשים ומייעלים עם תכונות מפותחות, כגון אופטימיזציה לצמיחה, לימוד עמידות לתרופות או ביו -הנדסה ליצירת תרופות.

ד"ר ג'ונס קופל, סופר ראשוני משותף בעבר במכון וולקום סנגר, וכעת באוניברסיטת וושינגטון, אמר: "אם הגנום היה ספר, היית יכול לחשוב על גרסת נוקלאוטידים יחידה כהקלדה, ואילו גרסה מבנית זה כמו לקרוע עמוד שלם. שאיש לא עשה בעבר. מַחֲלָה."

ד"ר רפאל פריירה, סופר ראשוני משותף וחוקר פוסט-דוקטורט במעבדת הכנסייה בבית הספר לרפואה של הרווארד, אמר: "המחקרים שלנו התאפשרו רק מכיוון שהתמהיל הנכון של המרכיבים התאגד בזמן הנכון: היקף רצף הגנום, הנדסת גנום מתקדמת, והשימוש ברקומבינזות.

פרופסור טום אליס, מחבר המחקר והפקולטה המשויכת במכון וולקום סנגר, שבסיסו במחלקה להנדסה ביולוגית במכללת אימפריאל בלונדון, אמר: "לפני עשר שנים אנשים חשבו שייקח עשרות שנים של עבודה ומאות מיליוני דולרים כדי להנדס גנום אנושי שניתן לסדר מחדש בו מדענים יוכלו להשתמש כדי ללמוד מבנה גנום, אך עבודה זו מראה דרך לאפשר זאת ברגע זה.

מחקרים אלה מייצגים שינוי צעד ביצירה המקבילה והערכה של שונות מבנית בגנום אנושי. כלים ליצירת גרסה יחידה בכל פעם היו זמינים במשך עשרות שנים, אך הדגמנו כי כעת ניתן לחקור גרסאות והפכת גנומים אנושיים אקראיים בקנה מידה. זה נותן נקודות כניסה חדשות הן למחקר של וריאציה הקשורה למחלות, כמו גם הזדמנויות להנדסה ביולוגית. "

ד"ר ליאופולד חלקים, סופר משותף, מכון וולקום סנגר

דילוג לתוכן