2023 Autor: Bailey Leapman | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-05-20 22:44
Uus meetod geneetiliste interaktsioonide võrgustiku analüüsimiseks tõotab muuta seda, kuidas teadlased uurivad raku dünaamilist bioloogilist maastikku. Tehnoloogiat, mida nimetatakse epistaatilisteks minimassiiviprofiilideks (E-MAP), on juba kasutatud teadaolevatele geenidele uute funktsioonide määramiseks, varem iseloomustamata valkude rollide paljastamiseks ning biokeemiliste radade ja proteiinide üksteisega suhtlemise määratlemiseks.
E-MAP võimaldab uut arusaama sellest, kuidas geenid ja valgud rakus toimivad, ütles Jonathan S. Weissman, San Francisco California ülikooli (UCSF) Howard Hughesi meditsiiniinstituudi (HHMI) uurija ja tehnikat välja töötanud meeskonna juht. Näiteks võivad inimese geenide interaktsioonide E-MAP-id võimaldada teadlastel optimeerida ravimite ravi vastav alt patsientide geneetilisele taustale. Samuti võib olla võimalik kasutada E-MAP-i viirusevastaste ravimite tõhusate kombinatsioonide väljatöötamiseks, mis on suunatud interakteeruvate geenide poolt toodetud valkudele. Selline strateegia aitaks vältida nende geenide koosmõju, et kompenseerida rünnakut vaid ühe valgu vastu, ütles Weissman.
Teadlased eesotsas Weissmani, tema laboris töötava doktorikraadi Maya Schuldineri ja Nevan Kroganiga Toronto ülikoolist kirjeldasid 4. novembril 2005 E-MAP-i esialgseid uuringuid pärmis. ajakirja Cell number. Weissman ja tema kolleegid UCSF-ist tegid uuringutes koostööd Toronto ülikooli teadlastega.
Varasemad epistaatiliste interaktsioonide analüüsimeetodid – kuidas ühe geeni aktiivsus mõjutab teise geeni aktiivsust – hõlmasid üksikute geenide muutmist ja nende kasvule avalduva mõju analüüsimist koos kõigi teiste pärmi genoomi geenidega."Üks-ühele meetod on olnud äärmiselt võimas viis bioloogiliste süsteemide uurimiseks, " ütles Weissman. "Kuid me tahtsime läheneda sellistele analüüsidele süstemaatiliselt ja kasutada uue põlvkonna suure läbilaskevõimega tehnoloogiat, et kvantitatiivselt uurida korraga suurt hulka epistaatilisi geneetilisi koostoimeid."
E-MAP tehnika seisneb paljude geenipaaride aktiivsuse valikulises "mahastamises" ja nende muutuste mõju võrdlemises nendega, mis tekivad iga geeni eraldi väljavalimisel. Paljude geenide aktiivsust saab vähendada nende täieliku elimineerimisega, kuid pärmseene kasvu jaoks oluliste geenide alamhulga jaoks, mille täielik deletsioon hävitaks raku, leiutasid suure läbilaskevõimega tehnika, et manipuleerida oma messenger-RNA poolväärtusaega. (mRNA). Kuna mRNA on geneetiline vahesaadus geeni muundamisel valguks, vähendab selle eluea vähendamine mRNA sõnumi muteerimisega valgu kogust, mida rakk suudab toota. Rühm nimetas seda lähenemisviisi "mRNA häiringu tõttu vähenenud arvukusele" (DAmP).
"DAmP tehnika andis meile võimaluse vähendada sihtgeeni messenger-RNA arvukust, säilitades samal ajal selle loomuliku regulatsiooni," ütles Weissman. "Enamikul pärmis leiduvatest mRNA-dest on poolestusaeg umbes kümme minutit, kuid meie muudatused destabiliseerisid need nii, et nende poolestusaeg oli vaid paar minutit. Järelikult toodavad nad viis kuni kümme korda vähem valku," ütles ta. ütles.
E-MAP-i väljatöötamisel seisid teadlased silmitsi olulise takistusega: isegi pärmi suhteliselt tagasihoidlikud 6000 geeni tekitaksid peaaegu 20 miljonit võimalikku geenipaari, mida oleks vaja testida. Võimalike interaktsioonide arvu kitsendamiseks võtsid nad kasutusele strateegia, mida nimetatakse naabrusklastriks, mis piirab analüüsi geenidega, millel on seotud funktsioonid ja mis samuti koonduvad rakus ühte kohta. Ajakirjas Cell rakendasid nad E-MAP tehnikat 442 pärmi geenist koosnevale "minimassiivile", mis määratlevad bioloogilise raja, mida nimetatakse varajaseks sekretoorseks rajaks. See lahterdatud, omavahel ühendatud rada sünteesib ja reguleerib pärmis lipiide ja sekreteeritud valke.
Weissman ja tema kolleegid vajasid ka viisi, kuidas kvantifitseerida interakteeruvate mutantsete geenide epistaatilist mõju rakkude elujõulisusele. Kuna pärm moodustab kultiveerimisnõudes kasvatamisel ümmargusi kolooniaid, võiksid nad mõõta mutantsete rakkude kolooniate suurust automatiseeritult ja kasutada seda nende kasvukiiruste arvutamiseks. Estaatiliste mõjude kindlaksmääramiseks võrdlesid nad iga kahes geenis mutatsioone sisaldava raku kasvukiirust mutantsete rakkude kasvukiirusega, mis kannavad mutatsioone ainult ühes neist geenidest.
"Nende epistaatiliste interaktsioonide analüüs andis meile ainulaadse ja sidusa vaate selle pärmi võrgustiku funktsioonile ja struktuurile," selgitas Weissman. "Ja see osutus ka suurepäraseks viisiks uute geenifunktsioonide leidmiseks või teadaolevate geenide toimimise ja protsesside kohta, milles nad tõenäoliselt osalevad. Kuid lisaks sellele võiksime tuvastada geenide rühmad, mis toimisid sidus alt, et toota valgukomplekse. Ja siis globaalsemal tasandil nägime, kuidas erinevad protsessid vastastikku vastasid.
"Klassikalise geneetika puhul alustate teid huvitava protsessiga – näiteks sekretsiooniga – ja otsite kõiki geene, mis sekretsiooni mõjutavad. See on produktiivne lähenemine, kuid see on väga protsessikeskne, ta ütles. "Võite leida teatud geeni, mis osaleb sekretsioonis, kuid see ei räägi teile paljudest muudest protsessidest, milles see võib olla seotud.
E-MAP-i lähenemisviisi puhul alustavad teadlased aga geenist ja küsivad kõigi protsesside kohta, mida see mõjutab. "See annab teile vähem hüpoteeside kallutatuse ja objektiivsema viisi bioloogiliste süsteemide struktuuri vaatlemiseks," ütles Weissman.
Tulevastes uuringutes kavatsevad Weissman ja tema kolleegid välja töötada paremad kvantitatiivsed mõõtmised epistaatilise interaktsiooni mõjude kohta ja laiendada oma tehnikat teistele organismidele, lõpuks ka inimestele.
Lisaks sellele, et E-MAP-id pakuvad olulist põhiteavet valkude ja geenide rollide kohta, aitavad need kaasa ka evolutsiooniprotsesside mõistmisele. "Evolutsiooniteoorias on epistaatiliste geenide interaktsioonide struktuur kriitiline, " ütles ta. "Et mõista, kuidas geeni erinevad variatsioonid või alleelid mõjutavad organismi evolutsiooni, peate iga geeni puhul mõistma, kuidas seda mõjutab geneetiline taust, milles see toimib."
Teoreetilisest kaugemale liikudes võivad E-MAP-id omada rolli ka kliinilistes rakendustes. "Farmakogenoomika valdkonnas püüavad arstid kohandada ravimiteraapiaid vastav alt inimese geneetilisele struktuurile, " ütles Weissman. "Nad esitavad sisuliselt just neid küsimusi epistaatiliste interaktsioonide kohta, millele E-MAP-id vastata saavad. Nad tahavad teada, kas kui nad inhibeerivad valku - antud juhul ravimiga, mitte mRNA maha lööma -, kuidas teised geenid selle inhibeerimisega suhtlevad."
Sihtgeeni vastastikmõjude teadmine võib võimaldada arstidel ennustada ka ravimi toime varieeruvust erinevate inimeste vahel. Selliste koostoimete mõistmine võib anda ka farmaatsiauurijatele vihjeid väljatöötatavate ravimite võimalike kõrvalmõjude ulatuse kohta.
E-MAP-i lähenemisviisist võiks kasu olla ka kombineeritud ravimite (nt vähi või viiruste raviks) väljatöötamisel. "Sellistel juhtudel tahavad arstid teada, kas – kui mõlemat valku inhibeerivad ravimid aeglustavad vähi või viiruse arengut – interakteeruvad need kaks valku epistaatiliselt, nii et mõlema inhibeerimine annab palju suurema efekti kui nende kahe summa kokku," ütles ta. ütles.
