Neue Technologie hilft, das Innenleben des menschlichen Genoms aufzudecken

Forscher von Weill Cornell Medicine und dem New York Genome Center haben in Zusammenarbeit mit Oxford Nanopore Technologies eine neue Methode entwickelt, um die dreidimensionale Struktur des menschlichen Genoms oder die Faltung des Genoms in großem Maßstab zu beurteilen. Das Genom ist der vollständige Satz genetischer Anweisungen, DNA oder RNA, die es einem Organismus ermöglichen, zu funktionieren.

Mit dieser Methode zeigten die Forscher, dass die Zellfunktion, einschließlich der Genexpression, eher von Gruppen gleichzeitig interagierender regulatorischer Elemente im Genom als von Paaren dieser Komponenten beeinflusst werden kann. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht am 30. Mai in Naturbiotechnologiekann dabei helfen, die Beziehung zwischen Genomstruktur und zellulärer Identität aufzuklären.

„Die Kenntnis der dreidimensionalen Genomstruktur wird den Forschern helfen, besser zu verstehen, wie das Genom funktioniert und insbesondere, wie es verschiedene Zellidentitäten kodiert“, sagte Seniorautor Dr. Marcin Imieliński, außerordentlicher Professor für Pathologie und Labormedizin und Computergenomik in Computerbiomedizin bei Weill Cornell Medicine und Kernmitglied des New York Genome Center. „Die Art und Weise, wie wir die Genomstruktur untersuchen mussten, hat uns erstaunliche Einblicke gegeben, aber es gab auch entscheidende Einschränkungen“, sagte er.

Frühere Technologien zur Bewertung der dreidimensionalen Struktur des Genoms haben es Forschern beispielsweise ermöglicht, zu untersuchen, wie häufig zwei Loci oder physische Orte auf dem Genom miteinander interagieren. Traditionell wurden Paare von Loci beobachtet, die Enhancer und Promotoren genannt werden – Komponenten im Genom, die miteinander interagieren, um die Genexpression zu beeinflussen.

Informationen über diese Paarungen bieten unvollständige Einblicke in die Genomstruktur und -funktion. Beispielsweise sei es schwierig gewesen, ein Faltungsmuster damit zu verknüpfen, wie das Genom für eine bestimmte Zellidentität – wie eine Leber-, Lungen- oder Epithelzelle – kodiert, sagte Dr. Imieliński, der auch Mitglied des Englander Institute for Precision Medicine and the ist Sandra und Edward Meyer Cancer Center bei Weill Cornell Medicine. Wissenschaftler haben die Theorie aufgestellt, dass diese Faltung die Genexpression beeinflusst. „Aber wie Zelltypen codiert werden, insbesondere in der Struktur der DNA, war ein Rätsel“, sagte er.

Dr. Imieliński und sein Forschungsteam, darunter die Erstautorin Aditya Deshpande, eine kürzliche Absolventin des Tri-Institutional Ph.D. Program in Computational Biology & Medicine, das in Dr. Imielińskis Labor arbeitet, entwickelte einen neuen genomweiten Assay und Algorithmus, der es ihnen ermöglicht, Gruppen von Loci zu untersuchen, nicht nur Paare.

Sie passten eine traditionelle Technologie, Hi-C (Chromatin Conformation Capture), die eine Mischung aus DNA und Protein bewertet, um die dreidimensionale Genomstruktur zu analysieren, an die Nanoporensequenzierung oder die Hochdurchsatzsequenzierung langer, kontinuierlicher Stränge von DNA-Molekülen an. Der daraus resultierende Assay, den die Forscher Pore-C nannten, ermöglichte es ihnen, mehrere zehn Millionen dreidimensionaler Locus-Gruppierungen zu beobachten.

Sie entwickelten auch statistische Methoden, um zu bestimmen, welche Locus-Gruppierungen wichtig waren, basierend darauf, ob sie kooperativ interagierten, um die Genexpression zu beeinflussen. „Viele dreidimensionale Interaktionen des Genoms sind nicht wichtig“, sagte Dr. Imieliński. „Unsere Analysemethoden helfen uns, die Gruppeninteraktionen zu priorisieren, die wahrscheinlich für die Genomfunktion von Bedeutung sind.“ Als ein Schlüsselergebnis der Studie stellten die Forscher fest, dass die signifikantesten kooperativen Gruppierungen von DNA-Elementen um Gene herum auftraten, die mit der Zellidentität assoziiert sind.

Zukünftige Experimente werden untersuchen, welche spezifischen Gruppierungen genomischer Komponenten für verschiedene Aspekte der Zellidentität wesentlich sind. Die neue Technologie könnte Forschern auch helfen zu verstehen, wie sich Stammzellen, die unreifen Hauptzellen des Körpers, in verschiedene Zelltypen differenzieren.

Darüber hinaus könnten Forscher Anomalien in Krebszellen besser verstehen. „In Zukunft könnte diese Technologie wirklich hilfreich sein, um zu verstehen, wie Krebszellgenome neu angeordnet werden und wie diese Neuanordnungen die veränderten Zellidentitäten vorantreiben, die das Wachstum und die Ausbreitung von Krebs ermöglichen“, sagte Dr. Imieliński.