Uno studio condotto dal gruppo di Hackett all'EMBL di Roma ha portato allo sviluppo di una potente tecnica di editing genetico, che apre la possibilità di programmare con precisione le modifiche della cromatina.

Comprendere come i geni sono regolati a livello molecolare è una delle sfide più importanti della biologia moderna. Questo complesso meccanismo è guidato principalmente dall’interazione tra proteine ​​chiamate fattori di trascrizione, DNA Regioni regolatrici e modificazioni epigenetiche – cambiamenti chimici che alterano la struttura della cromatina. L'insieme delle modifiche epigenetiche del genoma di una cellula viene definito epigenoma.

Progressi nell'editing dell'epigenoma

In uno studio pubblicato oggi (9 maggio) in Genetica della naturaGli scienziati del gruppo di Hackett del Laboratorio Europeo di Biologia Molecolare (EMBL) di Roma hanno sviluppato una piattaforma modulare per l'editing del genoma, un sistema per programmare le modifiche epigenetiche in qualsiasi punto del genoma. Il sistema consente agli scienziati di studiare l'effetto di ciascuna modificazione della cromatina sulla trascrizione, il meccanismo mediante il quale i geni vengono trascritti nell'mRNA per catalizzare la sintesi proteica.

Si ritiene che le modificazioni della cromatina contribuiscano alla regolazione di processi biologici chiave come lo sviluppo, la risposta ai segnali ambientali e le malattie.

Illustrazione creativa del toolkit di editing epigenetico: ogni edificio rappresenta lo stato epigenetico di un singolo gene (le finestre scure sono geni silenziosi, le finestre luminose sono geni attivi). La leva dimostra il sistema di editing epigenetico che consente la deposizione de novo di segni di cromatina in qualsiasi sito genomico. Marzia Monafò

Per comprendere gli effetti di specifici segni di cromatina sulla regolazione genetica, studi precedenti hanno mappato la loro distribuzione nei genomi di tipi cellulari sani e malati. Combinando questi dati con l'analisi dell'espressione genetica e gli effetti noti della perturbazione di geni specifici, gli scienziati hanno attribuito funzioni a questi segni di cromatina.

Tuttavia, si è rivelato difficile determinare la relazione causale tra i segni della cromatina e la regolazione genetica. La sfida è analizzare i contributi individuali dei numerosi fattori complessi coinvolti in tale regolazione: segni di cromatina, fattori di trascrizione e sequenze regolatrici del DNA.

Innovazione nella tecnologia di editing dell’epigenoma

Gli scienziati del gruppo di Hackett hanno sviluppato un sistema modulare di modifica del genoma per programmare con precisione nove segni cromatinici biologicamente importanti in qualsiasi regione desiderata del genoma. Il sistema si basa su CRISPR, una tecnologia di editing genomico ampiamente utilizzata che consente ai ricercatori di apportare modifiche in siti specifici del DNA con elevata precisione e Precisione.

Tali sottili perturbazioni hanno permesso loro di analizzare attentamente le relazioni di causa-effetto tra i segni di cromatina e i loro effetti biologici. Gli scienziati hanno anche progettato e utilizzato un “sistema reporter”, che ha permesso loro di misurare i cambiamenti nell’espressione genetica a livello di singola cellula e di comprendere come i cambiamenti nella sequenza del DNA influenzano l’effetto di ciascun segno della cromatina. I loro risultati rivelano i ruoli causali di una serie di segni cromatinici importanti nella regolazione genetica.

Principali risultati e direzioni future

Ad esempio, i ricercatori hanno scoperto un nuovo ruolo per H3K4me3, un segno della cromatina precedentemente ritenuto una conseguenza della trascrizione. Hanno notato che H3K4me3 può effettivamente aumentare la trascrizione da solo se viene aggiunto artificialmente a siti specifici nel DNA.

“Si è trattato di un risultato davvero entusiasmante e inaspettato, che è andato contro tutte le nostre aspettative”, ha affermato Christina Policarpi, ricercatrice post-dottorato nel gruppo di Hackett e scienziata a capo dello studio. “I nostri dati indicano una complessa rete di regolamentazione, in cui molteplici fattori regolatori interagiscono per modulare i livelli di espressione genetica in una determinata cellula. Questi fattori includono la struttura preesistente della cromatina, la sequenza del DNA sottostante e la posizione nel genoma.

Potenziali applicazioni e ricerche future

Hackett e i suoi colleghi stanno attualmente esplorando modi per sfruttare questa tecnologia attraverso un promettente progetto di avvio. Il prossimo passo sarà confermare ed estendere queste conclusioni prendendo di mira i geni di diversi tipi di cellule e su larga scala. Resta da chiarire il modo in cui i segni della cromatina influenzano la trascrizione attraverso la diversità genetica e i meccanismi a valle.

“Il nostro kit di strumenti modulari per l’editing epigenetico costituisce un nuovo approccio sperimentale per analizzare le interrelazioni tra il genoma e l’epigenoma”, ha affermato Jamie Hackett, leader del gruppo presso l’EMBL Roma. “Il sistema potrebbe essere utilizzato in futuro per comprendere più precisamente l’importanza dei cambiamenti epigenomici nell’influenzare l’attività genetica durante lo sviluppo e nelle malattie umane. D’altra parte, questa tecnologia apre anche la possibilità di programmare i livelli di espressione genetica desiderati in modo altamente efficace modo sintonizzabile. Questa è una strada entusiasmante per le applicazioni. ” Benefici per la salute accurati possono essere utili in caso di malattia.

Riferimento: “L'editing del genoma staminale cattura la funzione istruttiva dipendente dal contesto delle modifiche della cromatina” 9 maggio 2024, Genetica della natura.
doi: 10.1038/s41588-024-01706-s