ソークの科学者が明らかにする技術を開発
脳内の細胞のエピジェネティックな特徴

ソークの科学者が脳細胞のエピジェネティックな特徴を明らかにする技術を開発

このアプローチにより、単一細胞における遺伝子制御の XNUMX つのレベルを同時に研究することが可能になり、遺伝的変異がヒトの病気にどのように寄与するかを明らかにするのに役立つ可能性があります。

【ラホーヤ】問題を解決し、事前に計画を立てる能力を私たちに与えてくれる脳の前頭前野には、数十億の細胞が含まれている。 しかし、この重要な領域に存在する細胞型の多様性は大きく、それぞれが独自の遺伝的および分子的特性を持っていることを理解するのは困難でした。

科学者たちは、この多様性の多くがエピジェネティクス (DNA 上の化学タグなど) に起因すること、およびエピジェネティクスの特徴が最終的に染色体内でどのように折り畳まれて遺伝子の発現方法に影響を与えるのかに起因することを知っています。

今回、ソークの研究者らは、染色体とそのエピジェネティックな特徴が単一の人間の脳細胞の内部にどのように圧縮されているかを同時に分析する方法を開発した。 エッカー研究室とディクソン研究室の科学者の共同チームは、XNUMX つの異なる分析技術を XNUMX つの方法に組み合わせ、異なる細胞型の遺伝子調節要素を同定できるようにしました。 に掲載された作品は、 ネイチャーメソッド 9 年 2019 月 XNUMX 日に発表されたこの論文は、一部の細胞がどのように調節不全になって病気を引き起こすのかについての新たな理解への道を開きます。

「私たちは、単一細胞のゲノムを分析するためにこの新しく優れたアプローチを採用し、それを健康な脳組織に適用しました」とソーク教授でハワード・ヒューズ医学研究所の研究員は言う ジョゼフ・エッカー、ゲノム解析研究所の所長であり、論文の共同責任著者でもあります。 「次のステップは、正常な組織と病気の組織を比較することです。」

細胞核内の染色体と呼ばれる構造内に DNA がどのように詰め込まれているかは、細胞機能において重要な役割を果たします。 そして、DNA が最終的にどのように折りたたまれるかは、DNA のどの部分が相互作用する必要があるか、またどの部分が細胞機構に容易にアクセスできる必要があるかによって決まります。 染色体の構造は、一種の細胞の指紋として機能します。異なる種類の細胞は同じ DNA 配列を持っていますが、その DNA を構成するための染色体構造は異なります。

同時に、DNA 鎖へのメチル基の付加など、DNA 自体に対する化学的 (エピジェネティックな) 修飾も、遺伝子発現のタイミングとレベルを制御します。 メチル基が DNA の一部に付加されると、通常、遺伝子の発現がブロックされます。

これまで、研究者は個々の細胞の染色体構造とメチル化パターンを決定するために別の方法を使用する必要がありました。 たとえばXNUMX月、エッカー氏のチームは、次のような新しいツールを開発したと報告した。 染色体構造のみに基づいて細胞の種類を区別する。 そして2017年、彼らは メチル化パターンに基づいてマウスとヒトの脳細胞を分類.

しかし、実験を別々に行う場合、研究者は染色体の構造とメチル化パターンがどのように関連しているのかを判断できません。 染色体構造の各サブセットがメチル化パターンのサブセットに対応するかどうかは不明でした。 それとも、XNUMX つのデータセットを組み合わせると、細胞のより微妙なサブタイプが明らかになるのかどうか。

単核メチル-3C シーケンス (sn-m3C-seq) と呼ばれる新しい方法では、ソークチームは各単一細胞から「ダブルディップ」を行い、染色体構造とメチル化の両方に関するデータを同時に収集します。 このプロセスを手動で行うのは遅くて面倒ですが、チームは sn-m3C-seq を自動化し、数千の細胞を簡単に研究できるようにしました。 セルを処理するための新しいアプローチの開発と、データを処理するための新しい計算方法の組み合わせにより、この新しい技術が可能になりました。

研究チームは、単一細胞のこれらの特徴を調べる方法を開発することで、科学者が特定の「分析トリック」を使用して組織サンプルを直接研究し、組織内のすべての異なる細胞タイプの染色体構造とDNAメチル化を解明できるようになると述べている。 「これらの特徴は細胞の種類によって大きく異なる可能性があることを私たちは知っています。同じ細胞から両方の種類の情報を一緒に取得することに価値があるのです」と氏は言います。 ジェシー・ディクソン、ヘルムズリー・ソークフェローおよび共同通信著者。 「これにより、どのような制御配列がさまざまな細胞型や組織のどの遺伝子に影響を与えているかを理解する能力が大きく広がります。」

どの調節配列がどの遺伝子を調節しているかを知ることは、遺伝子変異がヒトの病気にどのように寄与するかを理解する上で重要な意味を持ちます。 たとえば、統合失調症やうつ病などの一般的なヒトの脳疾患や、心臓病などの非脳疾患に寄与する遺伝的変異の多くは、遺伝子から遠く離れたゲノム領域に存在します。 研究者らは、実際の人間の組織における染色体の折り畳みを研究し、異なる細胞型を解明することによって、これらの方法により、病気の原因となる遺伝的変異と、それらが調節する遺伝子とを結び付けることができる可能性があり、それによって、特定の変異がなぜ病気や病気に寄与するのかについてさらに詳しく知ることができるかもしれないと述べている。最善の治療方法についての洞察を提供します。

sn-m3C-seq をテストするために、Ecker、Dixon らはこの方法を 4,200 以上のヒトの脳の前頭前野細胞に適用しました。 染色体構造のデータのみを使用すると、ニューロンと非ニューロンの大まかな分離しかできませんでしたが、これらのアプローチを組み合わせることで、研究者は異なる細胞型の遺伝子調節要素を同定し、各細胞型に存在する染色体構造をさらに研究できるようになります。

さらに、研究チームは XNUMX つのレベルの規制間の関係に気づき、今後さらに研究する予定です。 この方法が確立されたので、彼らはそれを健康な組織と病気の組織の両方にさらに多くの種類に適用し始めたいと考えています。

その取り組みに役立つのは、6年2019月XNUMX日にディクソン氏とエッカー氏が国立衛生研究所の国立ゲノム研究所から受け取ったXNUMX万ドルの助成金であり、これにより、ヒトの組織や疾患における遺伝子調節の研究が大幅に促進されることになる。癌。

この論文の共同筆頭著者は、ソーク研究所の Dong-Sung Lee、Chongyuan Luo、Jingtian Zhou でした。 他の著者には、サハーナ・チャンドラン、アンジェリン・リブキン、アンナ・バートレット、ジョセフ・ネリー、コナー・フィッツパトリック、同じくソーク出身のキャロリン・オコナーがいた。

この研究と関与した研究者は、ハワード ヒューズ医学研究所、国立衛生研究所、レオナ M. ヘルムズリーおよびハリー B. ヘルムズリー慈善信託、およびソーク研究所イノベーション研究基金からの助成金によって支援されました。

DOI： 10.1038 / s41592-019-0547-z