Wissenschaftler verknüpfen menschliche Gene mit ihrer Funktion durch Einzelzellsequenzierung

Nachdem das Human Genome Project kürzlich die erste wirklich vollständige Sequenzierung eines menschlichen Genoms bekannt gegeben hat, haben Wissenschaftler heute einen neuen wichtigen Meilenstein in der Biologie bekannt gegeben: die erste umfassende funktionelle Karte jedes Gens im menschlichen Genom unter Verwendung eines neuartigen Einzelzell-Sequenzierungswerkzeugs. Diese neue Karte, die jedes Gen mit seiner Funktion in der Zelle verknüpft, wurde anderen Wissenschaftlern als kostenlose Ressource zur Verfügung gestellt.

Die Funktion eines Gens zu finden, ist in der Regel mit enormem Aufwand verbunden und kann mit der Suche nach der Nadel im Heuhaufen verglichen werden. Ausgerüstet mit der neuen Bibliothek können Biologen nun diese Datenbank durchsuchen, um neue Genotyp-Phänotyp-Beziehungen zu finden, ohne irgendwelche Experimente durchführen zu müssen. Dank dieser Entwicklungen könnte die Arzneimittelentdeckung erheblich beschleunigt und neue genbasierte Therapien in einem beispiellosen Tempo entwickelt werden.

Genstörungen, die die Entdeckung skalieren

Um die Karte zu zeichnen, verbrachten die Forscher Jahre damit, eine Einzelzell-Sequenzierungsmethode namens Perturb-seq zu entwickeln. Zuerst enthüllt im Jahr 2016 von Wissenschaftlern des Whitehead Institute und des MIT kann die Methode leicht bestimmen, was passiert, wenn ein Gen ein- oder ausgeschaltet wird, und seine Funktion aufdecken.

Perturb-seq verwendet zunächst das Genombearbeitungstool CRISPR-Cas9, das aufgrund seiner Fähigkeit, genetische Sequenzen auszuschneiden und einzufügen, manchmal auch als „molekulare Schere“ bezeichnet wird, um genetische Veränderungen in Zellen hervorzurufen. Dann verwendet die Methode die Einzelzell-RNA-Sequenzierung, um die RNA zu lesen, die als Ergebnis der zuvor eingeführten genetischen „Störung“ exprimiert wird. RNAs weisen Zellen an, wie sie sich verhalten sollen, beispielsweise welches Protein wann produziert werden soll, sodass Perturb-seq eines Tages die meisten oder vielleicht sogar alle zellulären Effekte entschlüsseln könnte, die auf genetische Veränderungen in menschlichen Zellen zurückzuführen sind.

Zunächst wurde Perturb-seq mit hohen Kosten an einer kleinen Gruppe von Genen getestet. Aber seitdem haben Forscher unter der Leitung von Jonathan Weissman am Whitehead Institute und Kollegen, darunter Forscher der Princeton University und 10x Genomics, eine neue und verbesserte Version von Perturb-seq entwickelt, die über das gesamte menschliche Genom skaliert werden kann.

Beispielsweise wurde eine frühere Version von Perturb-seq verwendet, um zu untersuchen, wie menschliche und virale Gene im Verlauf einer Infektion mit HCMV, einem verbreiteten Herpesvirus, interagieren.

In der neuen Studie leitete Joseph Replogle, MD-PhD-Student in Weissmans Labor und Co-Erstautor der vorliegenden Arbeit, die Bemühungen, die Methode auf das gesamte Genom auszuweiten. Durch die Kombination von CRISPR und Einzelzellsequenzierung bewertete Perturb-seq mehr als 2,5 Millionen Zellen aus menschlichen Blutkrebszelllinien und nicht-krebsartigen Zellen, die aus der Netzhaut stammen, und erstellte eine umfassende Karte, die Genotypen mit Phänotypen verknüpft.

„Es ist eine große Ressource in der Art, wie das menschliche Genom eine große Ressource ist, da man reingehen und auf Entdeckungen basierende Forschung betreiben kann“, sagte Weissman, der auch Professor für Biologie am Massachusetts Institute of Technology (MIT) ist Ermittler am Howard Hughes Medical Institute. „Anstatt im Voraus zu definieren, welche Biologie Sie untersuchen werden, haben Sie diese Karte der Genotyp-Phänotyp-Beziehungen und können die Datenbank durchsuchen, ohne irgendwelche Experimente durchführen zu müssen.“

Genforschung ohne Experiment?

Eine Möglichkeit, die Funktion eines Gens zu verstehen, besteht darin, molekularbiologische Techniken anzuwenden, um es auszuschalten und die Auswirkungen zu beobachten. Ein anderer Ansatz besteht darin, die Funktion eines Gens rechnerisch zu identifizieren, indem andere menschliche Gene mit einer ähnlichen Sequenz oder solche mit gemeinsamer Abstammung zum Vergleich betrachtet werden. Aber manchmal steht kein menschliches Gen zum Vergleich zur Verfügung, und Wissenschaftler müssen menschliche Gene mit denen anderer Arten vergleichen.

Der Hauptvorteil von Perturb-seq besteht darin, dass Sie den Datensatz unvoreingenommen verwenden können, um Gene mit unbekannten Funktionen zu untersuchen, ohne den zermürbenden Prozess durchlaufen zu müssen, Gene einzeln auszuschalten.

Beispielsweise könnten die Forscher unbekannte Gene mit bekannten Genen vergleichen, die ähnliche Transkriptionsergebnisse aufweisen, was darauf hindeutet, dass sie Teil eines größeren Komplexes sind. Mit dieser Methode haben die Forscher ein Gen mit dem Namen herausgegriffen C7orf26 das fiel auf, weil eine Mutation ähnliche Phänotypen hervorbrachte wie die Entfernung bestimmter Gene, die Teil eines Proteinkomplexes genannt werden Integrator. Frühere Untersuchungen zeigten, dass der Integrator-Komplex aus vielen kleineren Untereinheiten besteht, und die Forscher haben dies nun bestätigt C7orf26 gehört als 15. Komponente dazu. Alle diese 15 Untereinheiten arbeiten gemeinsam, um sehr spezifische Funktionen innerhalb des Integrator-Komplexes auszuführen.

„Abgesehen von dieser tausend Fuß hohen Sicht auf die Situation war es nicht so klar, dass diese verschiedenen Module funktional so unterschiedlich sind“, sagte Reuben Saunders, ein Doktorand in Weissmans Labor und Mit-Erstautor der Arbeit, in einer Erklärung .

Ein weiterer starker Punkt ist, dass die Daten von Perturb-seq, die auf Einzelzellebene gesammelt werden, verwendet werden können, um komplexere Phänotypen zu bewerten, die verschmutzt werden können, wenn sie von anderen Zellen untersucht werden.

„Wir nehmen oft alle Zellen, in denen das ‚Gen X‘ zerstört wurde, und mitteln sie zusammen, um zu sehen, wie sie sich verändert haben“, sagte Weissman. „Aber manchmal, wenn Sie ein Gen ausschalten, verhalten sich verschiedene Zellen, die dasselbe Gen verlieren, unterschiedlich, und dieses Verhalten kann vom Durchschnitt übersehen werden.“

In einer Anwendung ihres Datensatzes untersuchten die Forscher, wie Mitochondrien auf Stress reagierten. Ein Mitochondrium ist eine Zellorganelle, die eine äußerst wichtige Rolle für das reibungslose Funktionieren der Zelle spielt. Die Mitochondrien, die auch als „Kraftwerke der Zelle“ bekannt sind, sind für die Produktion der chemischen Energie namens ATP (Adenosintriphosphat) verantwortlich, die für alle biologischen Prozesse im Körper notwendig ist. Ein einzigartiges Merkmal der Mitochondrien ist, dass sie ihre eigene DNA enthalten – die mitochondriale DNA (mtDNA), während sich die gesamte andere DNA einer Zelle im Zellkern befindet (nDNA).

Es gibt 13 Gene im Mitochondriengenom, aber innerhalb der nDNA gibt es mehr als 1.000 Gene, die mit der Mitochondrienfunktion verbunden sind. Wenn verschiedene mtDNA-Gene gestört wurden, reagierte das Kerngenom mit ähnlichen Veränderungen.

„Die Menschen interessieren sich seit langem dafür, wie nukleare und mitochondriale DNA unter verschiedenen zellulären Bedingungen koordiniert und reguliert werden, insbesondere wenn eine Zelle gestresst ist“, sagte Replogle in einer Erklärung.

„Es ist immer noch eine offene Frage, warum Mitochondrien immer noch ihre eigene DNA haben“, fügte er hinzu. „Eine große Erkenntnis aus unserer Arbeit ist, dass ein Vorteil eines separaten mitochondrialen Genoms eine lokalisierte oder sehr spezifische genetische Regulation als Reaktion auf verschiedene Stressoren sein könnte.

Perturb-seq hat sich auf dem Gebiet der Genomik als sehr leistungsfähiges Werkzeug erwiesen – und das ist nur die Spitze des Eisbergs. Das Forschungsteam plant, seine Karte der Genfunktionen zu erweitern, indem es neben der Krebszelllinie, mit der es für diese Studie gearbeitet hat, andere Zelltypen untersucht.

„Dies ist wirklich der Höhepunkt langjähriger Arbeit der Autoren und anderer Mitarbeiter, und ich freue mich sehr, dass es weiterhin erfolgreich ist und sich ausdehnt“, sagte Tom Norman, ein Co-Senior-Autor des Papiers, der jetzt leitet ein Labor im Memorial Sloan Kettering Cancer Center.

Die Ergebnisse erschienen in der Zeitschrift Zelle.