رویکرد جدید به چالش ارتباط مستقیم انواع ژنتیکی با ویژگی‌های انسانی، سلامتی می‌پردازد

یک چالش بزرگ در ژنتیک انسانی درک اینکه کدام بخش از ژنوم صفات خاصی را هدایت می کند یا در خطر بیماری نقش دارد. این چالش برای انواع ژنتیکی موجود در 98 درصد ژنوم که پروتئین‌ها را کد نمی‌کنند، بیشتر است.

رویکرد جدیدی که توسط محققان دانشگاه نیویورک و مرکز ژنوم نیویورک ایجاد شده است، ترکیبی از مطالعات ارتباط ژنتیکی، ویرایش ژن، و توالی یابی تک سلولی برای رسیدگی به این چالش ها و کشف انواع علّی و مکانیسم های ژنتیکی برای صفات سلول های خونی است.

رویکرد آنها، که STING-seq دوبله شد و در منتشر شد علوم پایه، به چالش ارتباط مستقیم انواع ژنتیکی با صفات و سلامت انسان می پردازد و می تواند به دانشمندان کمک کند تا اهداف دارویی برای بیماری ها را با مبنای ژنتیکی شناسایی کنند.

در طول دو دهه گذشته، مطالعات انجمن گسترده ژنوم (GWAS) به ابزار مهمی برای مطالعه ژنوم انسان تبدیل شده است. با استفاده از GWAS، دانشمندان هزاران جهش ژنتیکی یا انواع مرتبط با بسیاری از بیماری‌ها، از اسکیزوفرنی تا دیابت، و همچنین ویژگی‌هایی مانند قد را شناسایی کرده‌اند. این مطالعات با مقایسه ژنوم جمعیت‌های بزرگ برای یافتن انواعی که بیشتر در افراد مبتلا به یک بیماری یا ویژگی خاص رخ می‌دهند، انجام می‌شود.

GWAS می تواند نشان دهد که چه مناطقی از ژنوم و انواع بالقوه در بیماری ها یا صفات نقش دارند. با این حال، این ارتباط تقریباً همیشه در 98 درصد ژنومی یافت می‌شود که برای پروتئین‌ها کد نمی‌کند، که بسیار کمتر از 2 درصد ژنومی که به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته است که پروتئین‌ها را کد می‌کند، درک شده است. یک عارضه دیگر این است که بسیاری از انواع در نزدیکی یکدیگر در داخل ژنوم یافت می شوند و با هم در طول نسل ها سفر می کنند، مفهومی که به عنوان پیوند شناخته می شود. این می‌تواند تشخیص این که کدام نوع واقعاً نقش علّی را از سایر گونه‌هایی که همین نزدیکی قرار دارند، بازی می‌کند، دشوار می‌کند. حتی وقتی دانشمندان می توانند تشخیص دهند که کدام نوع باعث بیماری یا ویژگی می شود، همیشه نمی دانند که این نوع بر چه ژنی تأثیر می گذارد.

هدف اصلی برای مطالعه بیماری‌های انسانی، شناسایی ژن‌ها و گونه‌های عامل است که می‌تواند مکانیسم‌های بیولوژیکی را روشن کند و اهداف دارویی این بیماری‌ها را مشخص کند.»

نویل سانجانا، دانشیار زیست شناسی در دانشگاه نیویورک، دانشیار علوم اعصاب و فیزیولوژی در دانشکده پزشکی گروسمن، عضو هیئت علمی مرکز ژنوم نیویورک، و نویسنده ارشد این مطالعه

“موفقیت عظیم در GWAS چالش استخراج بینش در مورد بیولوژی بیماری ها از این مجموعه داده های عظیم را برجسته کرده است. علیرغم تمام تلاش های ما در طول 10 سال گذشته، لیوان هنوز نیمه پر بود؛ در بهترین حالت. ما به یک رویکرد جدید نیاز داشتیم. Tuuli Lappalainen، عضو هیئت علمی ارشد در مرکز ژنوم نیویورک، استاد ژنومیک در موسسه سلطنتی فناوری KTH در سوئد، و نویسنده ارشد این مطالعه گفت.

درمان کم خونی داسی شکل

یک پیشرفت علمی اخیر در درمان کم خونی سلول داسی شکل – یک اختلال ژنتیکی که با دوره‌های درد شدید مشخص می‌شود – نشان می‌دهد که چگونه ترکیب GWAS با ابزارهای مولکولی پیشرفته مانند ویرایش ژن می‌تواند انواع علت را شناسایی کند و به درمان‌های نوآورانه منجر شود. با استفاده از GWAS، دانشمندان مناطقی از ژنوم را شناسایی کردند که برای تولید هموگلوبین جنینی مهم است، هدفی که بر اساس وعده آن برای معکوس کردن کم خونی سلول داسی شکل است، اما آنها نمی دانستند کدام نوع دقیق باعث تولید آن می شود.

به گفته Sanjana-، محققان به CRISPR- ابزار ویرایش ژنی که از «قیچی مولکولی برای برش DNA» برای ویرایش مناطق شناسایی شده توسط GWAS استفاده می کند، روی آوردند. هنگامی که ویرایش‌های CRISPR در یک مکان خاص در ژنوم غیرکدکننده در نزدیکی ژنی به نام انجام شد BCL11A، منجر به سطوح بالای هموگلوبین جنینی شد.

CRISPR اکنون در کارآزمایی‌های بالینی برای ویرایش این ناحیه در سلول‌های مغز استخوان ده‌ها بیمار مبتلا به کم‌خونی سلول داسی شکل استفاده شده است. پس از تزریق سلول‌های اصلاح‌شده به بیماران، آنها شروع به تولید هموگلوبین جنینی می‌کنند که شکل جهش‌یافته هموگلوبین بالغ را جابجا می‌کند و به طور مؤثر بیماری سلول داسی شکل را درمان می‌کند.

سانجانا گفت: “این داستان موفقیت در درمان بیماری سلول داسی شکل نتیجه ترکیب بینش GWAS با ویرایش ژن است.” اما سال‌ها تحقیق روی تنها یک بیماری طول کشید.

GWAS با CRISPR و توالی یابی تک سلولی مطابقت دارد

تیم تحقیقاتی جریان کاری به نام STING-seq-;Systematic Targeting and Inhibition of Noncoding GWAS locis with single-cell sequencing ایجاد کردند. STING-seq با استفاده از GWAS در مقیاس زیستی و جستجوی انواع احتمالی علت با استفاده از ترکیبی از علائم بیوشیمیایی و عناصر نظارتی کار می کند. سپس محققان از CRISPR برای هدف قرار دادن هر یک از نواحی ژنوم های دخیل در GWAS و انجام توالی یابی تک سلولی برای ارزیابی بیان ژن و پروتئین استفاده می کنند.

در مطالعه خود، محققان استفاده از STING-seq را برای کشف ژن‌های هدف انواع غیر کدکننده صفات خونی نشان دادند. صفات خون – مانند درصد پلاکت ها، گلبول های سفید و گلبول های قرمز خون – در آزمایش های معمول خون به راحتی قابل اندازه گیری هستند و به خوبی در GWAS مورد مطالعه قرار گرفته اند. در نتیجه، محققان توانستند از GWAS که نشان دهنده نزدیک به 750000 نفر با پیشینه های مختلف برای مطالعه صفات خونی است استفاده کنند.

هنگامی که محققان 543 منطقه نامزد ژنوم را شناسایی کردند که ممکن است در صفات خونی نقش داشته باشند، از نسخه ای از CRISPR به نام مهار CRISPR استفاده کردند که می تواند مناطق دقیق ژنوم را خاموش کند.

پس از خاموش کردن CRISPR مناطق شناسایی شده توسط GWAS، محققان به بیان ژن‌های مجاور در سلول‌های منفرد نگاه کردند تا ببینند آیا ژن‌های خاص روشن یا خاموش هستند. اگر آنها تفاوتی را در بیان ژن بین سلول‌هایی مشاهده کردند که در آن‌ها واریته‌ها خاموش شده بودند و نبودند، می‌توانستند مناطق غیر کدکننده خاصی را به ژن‌های هدف پیوند دهند. با انجام این کار، محققان می‌توانند مشخص کنند که کدام مناطق غیرکدکننده برای صفات خاص مرکزی هستند (و کدام‌ها نیستند) و اغلب همچنین مسیرهای سلولی که از طریق این مناطق غیرکدکننده کار می‌کنند.

جان موریس، دانشیار فوق دکترا در مرکز ژنوم نیویورک و NYU و اولین نویسنده این مطالعه گفت: «قدرت STING-seq این است که ما می‌توانیم این رویکرد را برای هر بیماری یا ویژگی به کار ببریم.

استفاده از STING-seq برای آزمایش خوشه‌هایی از واریانت‌های احتمالی و مشاهده تأثیر آن‌ها بر ژن‌ها، حدس‌هایی را که دانشمندان قبلاً در مواجهه با پیوند میان گونه‌ها یا ژن‌های نزدیک به واریته‌ها، که اغلب اما نه همیشه ژن هدف هستند، با آن مواجه می‌شد، حذف می‌کند. در مورد یک صفت خونی به نام شمارش مونوسیت، استفاده از CRISPR باعث ایجاد یک ژن، CD52، به وضوح برجسته به عنوان قابل توجهی تغییر یافته-;و while CD52 نزدیک به نوع مورد نظر بود، نزدیک ترین ژن نبود، بنابراین ممکن است با استفاده از روش های قبلی نادیده گرفته شده باشد.

در تجزیه و تحلیل دیگری، محققان ژنی به نام را شناسایی کردند PTPRC که با 10 صفت خون، از جمله موارد مربوط به گلبول های قرمز و سفید و پلاکت ها مرتبط است. با این حال، چندین نوع غیر کدکننده شناسایی شده توسط GWAS در نزدیکی وجود دارد و درک اینکه کدام (در صورت وجود) می تواند تعدیل کند، چالش برانگیز بود. PTPRC اصطلاح. استفاده از STING-seq آنها را قادر می‌سازد تا با دیدن اینکه کدام یک از انواع تغییر کرده‌اند، جداسازی کنند. PTPRC اصطلاح.

STING-seq و فراتر از آن

در حالی که STING-seq می‌تواند با خاموش کردن واریانت‌ها، ژن هدف و نوع علّی را شناسایی کند، اما جهت تأثیر را توضیح نمی‌دهد؛ اینکه آیا یک نوع غیرکدکننده خاص بیان ژن نزدیک را افزایش می‌دهد یا کاهش می‌دهد. محققان رویکرد خود را یک قدم فراتر بردند تا یک رویکرد مکمل را ایجاد کنند که آن را beeSTING-seq (ویرایش پایه STING-seq) می‌نامند که از CRISPR برای وارد کردن دقیق یک نوع ژنتیکی به جای اینکه فقط آن ناحیه از ژنوم را مهار کند، استفاده می‌کند.

محققان تصور می‌کنند که STING-seq و beeSTING-seq برای شناسایی انواع علت‌های طیف وسیعی از بیماری‌ها استفاده می‌شوند که می‌توانند با ویرایش ژن درمان شوند – همانطور که در کم خونی داسی شکل استفاده شد – یا با داروهایی که ژن‌های خاص یا سلولی را هدف قرار می‌دهند. مسیرها

Lappalainen گفت: «اکنون که می‌توانیم انواع غیر کدکننده را به ژن‌های هدف متصل کنیم، شواهدی به ما می‌دهد که مولکول‌های کوچک یا درمان‌های آنتی‌بادی را می‌توان برای تغییر بیان ژن‌های خاص توسعه داد.