STUDIU. Primele hărți comprehensive ale regiunilor enhancer de la nivelul genomului uman: noi instrumente pentru predicția riscului de boală și selectarea markerilor GWAS relevanți
Studiile de asociere la nivelul întregului genom (GWAS) identifică mii de variante genetice care se asociază cu numeroase boli, însă sunt dificil de interpretat atunci când variantele se află în regiunile care nu codifică proteine, cum sunt cele de la nivelul regiunilor amplificatoare (enhancers). Acestea sunt regiuni reglatoare care influențează expresia unor gene aflate la distanță (ca poziție în genom). Interpretarea impactului lor este și mai dificilă pentru că acționează diferit în funcție de tipul de celulă.
O echipă din cadrul centrului de cercetare Broad Institute of MIT and Harvard a creat noi hărți moleculare care includ peste 6 milioane de interacțiuni între regiuni enhancer și gene, folosind un model de predicție numit activity-by-contact (ABC). Ulterior, au utilizat aceste hărți pentru a interpreta funcția anumitor variante genetice asociate diferitelor boli umane, identificate prin studii GWAS. Rezultatele studiului desfășurat au fost publicate în Nature.
Studiul identifică principii ale reglării la nivel genomic, gene implicate în patogenia bolilor inflamatorii intestinale (IBD – inflamatory bowel disease) și oferă o strategie care poate fi aplicată și pentru alte boli, de a conecta variantele genetice de risc ale bolilor frecvente, la mecanismele moleculare și celulare. Rezultatele sunt relevante pentru accelerarea interpretării valorii markerilor GWAS. Proiectul va continua cu generare unor hărți pentru mai mulți indivizi și investigarea a sute de tipuri celulare.
„Acest model ar trebui să accelereze procesul înțelegerii funcției variantelor, deoarece acum putem identifica cu exactitate tipurile celulare și combinațiile de gene pe care ar trebui să le studiem”, a declarat Jesse Engreitz, autor al studiului și Conferențiar universitar în cadrul Universității Stanford.
Modelul ABC a fost utilizat pentru a crea peste 100 de hărți care conectează enhancerii cu genele lor țintă în 131 de probe alcătuite din diverse tipuri celulare, țesuturi și linii celulare. Apoi, au fost conectate peste 5.000 de semnale (variante genetice semnificative statistic) din studiile de asociere la nivelul întregului genom cu aproximativ 2.250 de gene relevante pentru 72 de trăsături complexe și boli, inclusiv cancerul și bolile cardiace.
Enhancerii sunt secvențe ADN la nivelul cărora se pot atașa proteine de tipul factorilor de transcripție, crescând transcripția unei gene asociate. Aceste elemente non-codante modulează activitatea genelor care sunt adesea localizate la distanță de enhancer, iar aceste interacțiuni diferă în funcție de tipul de celulă.
„Acum avem posibilitatea să ne uităm în mod comprehensiv la numeroase tipuri celulare și, pentru prima dată, să realizăm predicții cu o acuratețe ridicată cu privire la ce fac acești enhanceri non-condanți și variante”, a menționat Engreitz.
Modelul ABC prezice gena reglată de un anumit enhancer pe baza a doi factori:
- cât de frecvent un enhancer și gena sa țintă intră în contact
- nivelul de activitate al enhancerului
Cu ajutorul acestui model pot fi identificate variante genetice relevante pentru boli la nivelul enhancerilor și să fie alese tipurile celulare pe care trebuie concentrate investigațiile care studiază mecanismele bolilor.
„Modelul nostru ar putea fi foarte util pentru a selecta anumite ținte. Dacă o variantă de care suntem interesați se suprapune cu un enhancer prezis pentru reglarea unei gene, dar are acest rol doar în câteva tipuri celulare, acesta este un ajutor imens în încercarea de a afla cum acea variantă mediază riscul de boală”, a menționat Joseph Nasser, autor al studiului, în prezent afiliat Institutului de Tehnologie al Californiei.
Investigarea bolilor inflamatorii intestinale cu ajutorul modelului ABC
Hărțile dezvoltate de echipa de cercetători din cadrul Broad Institute pot ajuta la identificarea variantelor genetice implicate în anumite caracteristici și boli. Variantele identificate anterior pentru IBD prin GWAS s-au suprapus cu enhancerii preziși. Aceste variante de risc au fost depistate în tipuri celulare relevante pentru IBD, precum celulele imune de la nivel intestinal.
Pentru testarea modelului, a fost investigat un enhancer care, conform predicției realizate, este conectat cu gena PPIF, care codifică ciclofilina D, o proteină implicată în activitatea mitocondriilor, organitele celulare care asigură producția de energie la nivel celular. O variantă asociată cu IBD a fost identificată la nivelul acestui enhancer, sugerând importanța acestuia în patogenia bolilor inflamatorii intestinale. Prin modularea în laborator a acestui enhancer într-o categorie de celule imune, s-a demonstrat că acesta este implicat în reglarea funcției mitocondriale. Aceste rezultate au conectat o predicție realizată cu ajutorul modelului de un proces care se desfășoară intracelular.
Citește și:
- Pan-Cancer Project: cel mai amplu proiect de medicină genomică realizat vreodată asupra mecanismelor moleculare implicate în apariția și evoluția cancerului. Care sunt principalele rezultate?
- #BiotechWeek2020. Dr. Eric Green, pionier al Proiectului Genomului Uman: „Genomica a devenit parte din societate”
- #DecodămCancerul. De la descifrarea genomului uman la descifrarea genomului cancerului: răspunsurile și provocările pe care medicina genomică le aduce în oncologie