يطور علماء سالك تقنية للكشف
السمات اللاجينية للخلايا في الدماغ

يطور علماء سالك تقنية للكشف عن السمات اللاجينية للخلايا في الدماغ

يسمح النهج بالدراسة المتزامنة لمستويين من تنظيم الجينات في الخلايا المفردة ، مما قد يساعد في توضيح كيفية مساهمة الاختلافات الجينية في الإصابة بالأمراض البشرية

LA JOLLA - تحتوي قشرة الفص الجبهي في الدماغ ، والتي تمنحنا قدرتنا على حل المشكلات والتخطيط للمستقبل ، على مليارات الخلايا. لكن فهم التنوع الكبير لأنواع الخلايا في هذه المنطقة الحرجة ، ولكل منها خصائص جينية وجزيئية فريدة ، كان أمرًا صعبًا.

لقد عرف العلماء أن الكثير من هذا التنوع ناتج عن علم التخلق (مثل العلامات الكيميائية على الحمض النووي) وكذلك كيف تنطوى السمات اللاجينية في النهاية داخل الكروموسومات للتأثير على كيفية التعبير عن الجينات.

الآن ، طور باحثو Salk طريقة لتحليل الكيفية المتزامنة للكروموسومات ، جنبًا إلى جنب مع خصائصها اللاجينية ، داخل خلايا دماغية بشرية واحدة. قام فريق تعاوني من العلماء من مختبرات Ecker و Dixon بدمج تقنيتين مختلفتين للتحليل في طريقة واحدة ، مما مكنهم من تحديد العناصر التنظيمية للجينات في أنواع خلايا متميزة. العمل الذي تم نشره في طرق الطبيعة في 9 سبتمبر 2019 ، يمهد الطريق نحو فهم جديد لكيفية اختلال التنظيم في بعض الخلايا لتسبب المرض.

"لقد اتخذنا هذا النهج الجديد والأفضل لتحليل جينومات الخلايا المفردة وطبقناه على أنسجة المخ السليمة" ، كما يقول أستاذ Salk ومحقق معهد هوارد هيوز الطبي جوزيف إيكر، رئيس مختبر التحليل الجينومي والمؤلف المشارك المشارك في الورقة. "الخطوة التالية هي مقارنة الأنسجة السليمة والمرضية."

يمكن أن تلعب طريقة تجميع الحمض النووي داخل هياكل تسمى الكروموسومات في نواة الخلية دورًا مهمًا في الوظيفة الخلوية. وتعتمد الطريقة التي يتم بها طي الحمض النووي في نهاية المطاف على أقسام الحمض النووي التي تحتاج إلى التفاعل مع بعضها البعض والتي يجب أن تكون متاحة بسهولة للآلات الخلوية. تعمل بنية الكروموسومات كنوع من البصمة الخلوية: على الرغم من أن أنواع الخلايا المختلفة لها نفس تسلسل الحمض النووي ، إلا أن لها هياكل كروموسوم مختلفة لتنظيم ذلك الحمض النووي.

في الوقت نفسه ، فإن التعديلات الكيميائية (اللاجينية) على الحمض النووي نفسه - مثل إضافة مجموعات الميثيل إلى خيط من الدنا - تتحكم أيضًا في توقيت ومستويات التعبير الجيني. عندما يتم لصق مجموعة الميثيل على جزء من الحمض النووي ، عادةً ما يتم منع الجين من التعبير عنه.

في الماضي ، كان على الباحثين استخدام طرق منفصلة لتحديد هياكل الكروموسومات وأنماط المثيلة للخلايا الفردية. في يوليو ، على سبيل المثال ، أفاد فريق Ecker أنهم طوروا أداة جديدة يمكنها ذلك التفريق بين أنواع الخلايا بناءً على بنية الكروموسوم فقط. وفي عام 2017 ، هم تم فرز خلايا الدماغ البشري والفأر بناءً على أنماط المثيلة الخاصة بهم.

ومع ذلك ، عند إجراء التجارب بشكل منفصل ، لا يمكن للباحثين تحديد كيفية ارتباط بنية الكروموسومات وأنماط المثيلة. لم يكن من الواضح ما إذا كانت كل مجموعة فرعية من هياكل الكروموسوم تتوافق مع مجموعة فرعية من أنماط المثيلة. أو ما إذا كانت مجموعتي البيانات ، عند دمجهما ، تكشفان عن أنواع فرعية أكثر دقة من الخلايا.

في طريقتهم الجديدة ، المسماة تسلسل أحادي النواة ميثيل -3 ج (sn-m3C-seq) ، قام فريق Salk "بالغمس المزدوج" من كل خلية مفردة ، وجمع البيانات حول كل من بنية الكروموسوم والميثيل في نفس الوقت. في حين أن القيام بالعملية يدويًا سيكون بطيئًا ومرهقًا ، قام الفريق بأتمتة sn-m3C-seq ، مما يتيح لهم دراسة آلاف الخلايا بسهولة. إن تطوير مناهج جديدة للتعامل مع الخلايا ، إلى جانب الأساليب الحسابية الجديدة للتعامل مع البيانات ، مكّن هذه التقنية الجديدة.

يقول الفريق إن تطوير طريقة تفحص هذه الميزات في الخلايا المفردة تسمح للعلماء باستخدام بعض "الحيل التحليلية" لدراسة عينات الأنسجة مباشرة وحل بنية الكروموسوم ومثيل الحمض النووي في جميع أنواع الخلايا المختلفة في الأنسجة. "نحن نعلم أن هذه الميزات يمكن أن تختلف كثيرًا بين أنواع الخلايا ، وهناك قيمة في وجود كلا النوعين من المعلومات معًا من نفس الخلايا" ، كما يقول جيسي ديكسون، زميل Helmsley-Salk ومؤلف مشارك. "إنه يفتح حقًا قدرتنا على فهم التسلسل التنظيمي الذي يؤثر على الجينات عبر مجموعة واسعة من أنواع الخلايا والأنسجة."

معرفة التسلسل التنظيمي الذي ينظم الجينات التي لها آثار مهمة لفهم كيف يمكن للتغيرات الجينية أن تسهم في المرض الذي يصيب الإنسان. على سبيل المثال ، الكثير من التباين الجيني يساهم في أمراض الدماغ البشرية الشائعة مثل الفصام والاكتئاب ، وكذلك الأمراض غير الدماغية مثل أمراض القلب ، يكمن في مناطق من جينومنا بعيدة عن الجينات. يقول الباحثون أنه من خلال دراسة طي الكروموسوم في الأنسجة البشرية الفعلية وحل أنواع مختلفة من الخلايا ، فإن هذه الأساليب قد تسمح لهم بربط المتغيرات الجينية المسببة للأمراض بالجينات التي تنظمها ، مما قد يخبرهم أكثر عن سبب مساهمة بعض المتغيرات في الأمراض و تقديم رؤى حول أفضل طريقة لمعاملتهم.

لاختبار sn-m3C-seq ، طبق إكر وديكسون وزملاؤه هذه الطريقة على أكثر من 4,200 خلية قشرة أمام الجبهية في الدماغ البشري. في حين أن استخدام البيانات من بنية الكروموسوم وحده سمح فقط بالفصل الأولي للخلايا العصبية عن الخلايا غير العصبية ، فإن الجمع بين الأساليب يتيح للباحثين تحديد العناصر التنظيمية للجينات في أنواع خلايا متميزة ومن ثم دراسة هياكل الكروموسوم الموجودة في كل نوع من الخلايا.

علاوة على ذلك ، لاحظ الفريق وجود علاقات بين مستويين من التنظيم يخططون لمزيد من الدراسة في المستقبل. الآن وقد تم إنشاء هذه الطريقة ، فإنهم يرغبون في البدء في تطبيقها على أنواع أكثر من الأنسجة السليمة والمريضة.

ستكون منحة بقيمة أربعة ملايين دولار التي حصل عليها ديكسون وإيكر من المعهد الوطني لبحوث الجينوم التابع للمعاهد الوطنية للصحة في 6 سبتمبر 2019 ، والتي ستسهل بشكل كبير دراساتهم حول تنظيم الجينات في الأنسجة البشرية والأمراض مثل سرطان.

المؤلفون المشاركون في الدراسة هم Dong-Sung Lee و Chongyuan Luo و Jingtian Zhou ، وجميعهم من معهد Salk. المؤلفون الآخرون هم Sahaana Chandran و Angeline Rivkin و Anna Bartlett و Joseph Nery و Conor Fitzpatrick و Carolyn O'Connor ، أيضًا من Salk.

تم دعم العمل والباحثين المشاركين من قبل معهد هوارد هيوز الطبي ، ومنح من المعاهد الوطنية للصحة ، وصندوق Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable ، وصندوق Salk Institute Innovation Research Fund.

دوى: 10.1038 / s41592-019-0547-Z