In situ genomic sequencing: prima tehnologie care permite secvențierea genomică direct la nivelul celulelor




O nouă tehnică permite secvențierea genomică direct în celule intacte, conform unui studiu realizat de specialiști de la Institutul pentru Cercetarea Creierului McGovern, Departamentul de Celule Stem și Biologie Regenerativă al Universității Harvard și Broad Institute al MIT și Harvard. Tehnica utilizată integrează tehnologia de secvențiere a ADN-ului cu microscopia, reușind să identifice cu exactitate unde se află anumite secvențe ADN în interiorul celulelor intacte. Această metodă reprezintă prima tehnologie care permite vizualizarea directă a structurii genomului. Rezultatele studiului au fost publicate în revista Science.

Cu ajutorul secvențierii genomice in situ (in situ genome sequencing, IGS), grupul de cercetători a realizat:

abonare
  • Caracterizarea modificărilor genomice specifice părinților de-a lungul etapelor de dezvoltare a embrionului;
  • Identificarea domeniilor cromatinei din celule individuale în zigoți;
  • Evidențierea memoriei epigenetice a poziționării cromozomiale globale în embrioni individuali.

„Modul în care structura produce funcție reprezintă una dintre temele centrale ale biologiei. Iar istoria biologiei ne spune că atunci când chiar poți să vezi ceva, poți avea o mulțime de avantaje”, a declarat Ed Boyden, profesor de neurotehnologie în cadrul MIT, autor al studiului.

Secventierea genetică in situ este posibilă printr-o nouă tehnică
Secventierea genomică direct în interiorul celulelor este posibilă printr-o nouă tehnică

Unele progrese ale tehnologiei au transformat această tehnică din imposibil de realizat, în posibil, a adăugat Fei Chen, autor al studiului și asistent universitar în cadrul Departamentul de Celule Stem și Biologie Regenerativă al Universității Harvard.

Procesul de dezvoltare a acestei noi tehnici de secvențiere in situ a presupus analize computaționale, studierea metodelor care sunt utilizate pentru secvențiere în prezent și introducerea de pași inovatori. Celelalte tehnici disponibile realizează o reconstrucție a informațiilor structurale despre genom, însă IGS realizează simultan secvențierea și imagistica genomului în probe biologice intacte, ceea ce permite conectarea directă între secvența și structura genomului. Pentru prima dată, cercetătorii pot vedea cum sunt organizate secvențele de ADN în interiorul celulelor. Tehnica permite și studierea modului în care proteinele și alți factori specifici interacționează cu anumite părți specifice ale genomului.

Cercetătorii au realizat IGS pe fibroblaști umani și pe embrioni de șoarece. Tehnica IGS constă în fixarea celulelor pe o suprafață de sticlă pentru prezervarea structurii, inserarea de mici adaptoare ADN (mii de secvențe scurte de ADN care sunt amplificate și secvențiate în locațiilor lor originale în interiorul celulelor), secvențierea probelor într-un secvențiator care prelucrează ADN-ul din toate celulele (300 de nucleotide simultan). Prin identificarea locației fiecărei secvențe scurte în cadrul secvențelor lungi de nucleotide, este indicată poziția fiecăreia în cadrul structurii tridimensionale a celulei.

IGS se desfășoară similar secvențierii de nouă generație (NGS). Catena ADN este copiată cu ajutorul unor nucleotide marcate fluorescent, proces care poate fi vizualizat cu ajutorul unui microscop. Fiecare dintre cele 4 tipuri de nucleotide care intră în alcătuirea ADN-ului este marcat cu o culoare diferită, pentru a putea fi identificate pe măsură ce catena ADN este elongată.

Echipa deja a utilizat metoda pentru a vizualiza cum genomul se reorganizează în primele etape de dezvoltare embrionară. Printr-o reprezentare colorată a ADN-ului secvențiat la nivelul unui embrion de șoarece, cercetătorii au arătat modul în care informația genetică moștenită de la fiecare dintre părinți rămâne distinctă și se compartimentează imediat după fertilizare. Apoi, pe măsură ce dezvoltarea progresează, informația genetică de la cei doi părinți începe să se combine gradual. Prin IGS, cercetătorii au arătat cum pattern-uri ale organizării genomului, care variază de la celulă la celulă încă din stadiile precoce de dezvoltare, sunt transmise către celulele fiice în urma diviziunilor. Acest proces generează o memorie a originii de dezvoltare a fiecărei celule în parte.

Prin utilizarea secvențierii genomice in situ vor putea fi investigate numeroase aspecte incomplet elucidate în prezent: cum este funcția influențată de organizarea tridimensională a ADN-ului, care sunt modificările structurale și rearanjamentele cromozomiale asociate cu îmbătrânirea, cancerul, afecțiunile cerebrale și alte boli. Vizualizarea directă a împachetării genomului în interiorul celulelor unui organism ar putea explica modul în care diferite celule neurologice interpretează codul genetic sau ar putea sugera pattern-uri structurale care reprezintă diferența dintre normal și patologic. În prezent, echipa de cercetători lucrează la îmbunătățirea rezoluției spațiale a IGS și la adaptarea tehnicii pentru diverse tipuri de celule.

Citește și: