Das Gehirn der präfrontale Kortex, die uns unsere Fähigkeit, Probleme zu lösen und vorausschauend planen, enthält Milliarden von Zellen. Aber das Verständnis der großen Vielfalt von Zelltypen, die in dieser kritischen region, jede mit einzigartigen genetischen und molekularen Eigenschaften, wurde herausfordernd.
Wissenschaftler haben bekannt, dass viel von dieser Vielfalt-Ergebnisse aus der Epigenetik (wie die chemischen Markierungen auf der DNA) als auch, wie epigenetische Merkmale letztlich Falten innerhalb von Chromosomen, die beeinflussen, wie Gene ausgedrückt werden.
Nun, Salk-Forscher haben eine Methode entwickelt, um gleichzeitig zu analysieren, wie sich die Chromosomen, die zusammen mit Ihrer epigenetischen Eigenschaften, sind verdichtet im inneren des einzelnen menschlichen Gehirnzellen. Ein kollaboratives team von Wissenschaftlern aus der Ecker und Dixon labs kombiniert zwei verschiedene Analyse-Techniken in eine Methode, die es Ihnen ermöglichte, Sie zu identifizieren gen-regulatorischen Elemente, die in unterschiedlichen Zelltypen. Die Arbeit, veröffentlicht in der Natur-Methoden am 9. September 2019, ebnet den Weg zu einem neuen Verständnis von, wie einige Zellen werden falsch reguliertes Krankheit hervorrufen.
„Wir haben dieses neue und bessere Ansatz für die Analyse der Genome von einzelnen Zellen und angewendet wird es zum gesunden Hirngewebe,“ sagt Salk-Professor Howard Hughes Medical Institute Investigator Joseph Ecker, Leiter des Genomischen Analyse-Labors und das Papier ist co-entsprechenden Autor. „Der nächste Schritt ist der Vergleich der normalen und der Krankheit Gewebe.“
Wie die DNA verpackt ist, innerhalb der Strukturen, genannt Chromosomen, die im Zellkern eine wichtige Rolle spielen können, die in die zelluläre Funktion. Und wie die DNA ist letztlich gefaltet hängt davon ab, welche DNA-Abschnitte müssen miteinander interagieren und die müssen leicht zugänglich sein, um die zelluläre Maschinerie. Die Struktur der Chromosomen dient als eine Art zellulären Fingerabdruck: obwohl die verschiedenen Zell-Typen haben die gleiche Sequenz auf der DNA, Sie haben unterschiedliche chromosomale Strukturen zu organisieren, dass die DNA.
In der gleichen Zeit, Chemische (epigenetischen) Veränderungen der DNA selbst — wie die addition von Methylgruppen an einem DNA-Strang-auch die Kontrolle der Zeitpunkt und der Höhe der Genexpression. Wenn eine methyl-Gruppe ist geheftet auf ein bisschen DNA, ein gen ist in der Regel gesperrt ist, ausgedrückt wird.
In der Vergangenheit haben Forscher hatte verwenden verschiedene Methoden, um zu bestimmen, Chromosom Strukturen und methylierungsmuster der einzelnen Zellen. Im Juli, zum Beispiel, Ecker ‚ s-team berichtete Sie entwickelt hatte, ein neues Instrument für die Differenzierung Zelltypen basiert ausschließlich auf dem Chromosom Struktur. Und in 2017, sortiert Sie Maus-und menschlichen Zellen des Gehirns basierend auf Ihrem methylierungsmuster.
Wenn du die Experimente getrennt, allerdings können die Forscher nicht bestimmen, wie Chromosomen-Struktur und-methylierungsmuster könnten verwandt sein. Es war nicht klar, ob jede Teilmenge von Chromosom Strukturen entspricht einer Teilmenge der methylierungs-Muster. Oder ob die beiden Datensätze, wenn Sie kombiniert werden, zeigen differenziertere Subtypen von Zellen.
In Ihrer neuen Methode, genannt single-Kern-methyl-3C-Sequenzierung (sn-m3C-seq), das Salk-team „double dips“ aus jeder einzelnen Zelle, Daten zu sammeln, die auf beiden Chromosomen-Struktur und-Methylierung bei der gleichen Zeit. Während Sie den Prozess manuell wäre langsam und umständlich, das team automatisierte sn-m3C-seq, ließ Sie einfach studieren Tausende von Zellen. Die Entwicklung neuer Ansätze zum behandeln von Zellen, in Verbindung mit neuen computergestützten Methoden, um Daten zu behandeln, aktiviert dieser neuen Technik.
Das team sagt, dass die Entwicklung einer Methode, die untersucht, wie diese Funktionen in einzelnen Zellen, die es Wissenschaftlern ermöglicht, bestimmte „analytische tricks“, um direkt studieren Gewebeproben und beheben Chromosomen-Struktur und der DNA-Methylierung in den verschiedenen Zelltypen im Gewebe. „Wir wissen, dass diese Funktionen können sehr unterschiedlich sein, zwischen Zelltypen und es Wert ist, dass beide Arten von Informationen zusammen, aus den gleichen Zellen,“ sagt Jesse Dixon, ein Helmsley-Salk-Fellow und co-entsprechenden Autor. „Es ist wirklich erschließt unsere Fähigkeit, zu verstehen, was regulatorische Sequenzen beeinflussen, welche Gene in einer Vielzahl von Zelltypen und Geweben.“
Zu wissen, was regulatorische Sequenzen regulieren, welche Gene hat wichtige Auswirkungen für das Verständnis, wie genetische Variationen können dazu beitragen, die menschliche Krankheit. Zum Beispiel, viel von der genetischen variation trägt die gemeinsame menschliche Gehirn Krankheiten wie Schizophrenie und depression, sowie non-Hirn-Krankheiten wie Herzerkrankungen, liegt in Regionen des Genoms, die weit entfernt sind von den Genen. Die Forscher sagen, dass, durch das Studium Chromosom Falten in der tatsächlichen menschlichen Gewebe und lösen verschiedene Zelltypen, diese Methoden kann es Ihnen ermöglichen, link-Krankheit-verursachen von genetischen Varianten mit der Gene die Sie regulieren, die kann Ihnen sagen, mehr über, warum bestimmte Varianten tragen zu Krankheiten und bieten Einblicke in, wie man am besten behandeln.
Zu testen, sn-m3C-seq, Ecker, Dixon und Kollegen angewendet, die Methode zu mehr als 4.200 menschliche Gehirn im präfrontalen cortex-Zellen. Während anhand der Daten von Chromosom Struktur allein erlaubt nur die grobe Trennung von Neuronen, die aus nicht-Nervenzellen, die Kombination der Ansätze lassen die Forscher identifizieren gen-regulatorischen Elemente, die in unterschiedlichen Zelltypen und dann weiter zu studieren das Chromosom Strukturen in jeder Zelle.
Außerdem, das team bemerkte Beziehungen zwischen den beiden Ebenen der Regulierung, dass Sie planen, um mehr zu studieren in der Zukunft. Nun, die Methode ist etabliert, Sie möchte zunächst die Anwendung, um mehr Arten von gesunden und erkrankten Geweben.
Entscheidend für diesen Aufwand wird eine vier-Millionen-dollar zu gewähren, dass Dixon und Ecker erhielt von den National Institutes of Health ‚ s National Genome Research Institute on September 6, 2019, die erheblich erleichtern Ihre Studien der Genregulation in menschlichen Geweben und Krankheiten wie Krebs.
Die co-erste Autoren des Papiers waren Dong-Sung Lee, Chongyuan Luo und Jingtian Zhou, alle von der Salk-Institut. Andere Autoren waren Sahaana Chandran, Angeline Rivkin, Anna Bartlett, Joseph Nery, Conor Fitzpatrick und Carolyn O ‚ Connor, auch der Salk.
Die Arbeit und die beteiligten Forscher wurden unterstützt von dem Howard Hughes Medical Institute, die Zuschüsse aus den National Institutes of Health, das Leona M. und Harry B. Helmsley Charitable Trust und des Salk Institute Innovation Research Fund.