DNA-Zugänglichkeit, Genexpression gemeinsam in Tausenden von Zellen profiliert

Anonim

Wissenschaftler haben jetzt einen Test entwickelt, der gleichzeitig sowohl das Epigenom als auch das Transkriptom von jeder der Tausenden einzelner Zellen abbildet.

Das Epigenom und das Transkriptom sind Teil der Molekularbiologie, die einen genetischen Bauplan in Werkzeuge und Materialien für lebende Zellen umwandelt.

Die Genome verschiedener Arten von Zellen können identisch sein, während ihre Epigenome und Transkriptome nicht identisch sind. Das Epigenom besteht aus einer Reihe von Markierungen, die bestimmen, was das Genom jeder Zelle tun wird, während das Transkriptom die Menge der Kopien der Anweisungen selbst ist. Diese kodieren für die Produktion von Proteinen. Der Informationsfluss vom vererbten Plan zur Herstellung von Proteinen ist entscheidend für die Bildung und Aufrechterhaltung des Lebens.

Zellen können während der RNA-Transkription nur auf bestimmte Teile ihres Chromatin-verpackten, doppelsträngigen Genoms zugreifen. Da dieser Zugang zwischen verschiedenen Zelltypen variiert, ist die Zugänglichkeit des Chromatins entscheidend für die Form, Funktion und Vielfalt der verschiedenen Zellen in einem vielzelligen, lebenden Organismus.

Die Forscher nennen ihr Assay sci-CAR. Sci steht für single-cell combinatorial indexing, ein Mittel zur Untersuchung einer großen Anzahl von Einzelzellen auf einmal. In einem Forschungsbericht am 30. August in Science beschreiben die Wissenschaftler, wie der neue Test zwei andere genomische Assays in einem Protokoll vereint.

Diese Assays enthalten neben anderen Merkmalen einzigartige Barcodes für den Nukleinsäure-Gehalt von Zellen oder des Zellkerns, der das Hauptkontrollzentrum für lebende Zellen enthält. Die Methode der Wissenschaftler zur Markierung und Sortierung von Zellen ermöglicht die Verknüpfung der Messenger-RNA- und Chromatin-Zugänglichkeitsprofile einzelner Zellen.

Die meisten Untersuchungen, was sich genetisch in einzelnen Zellen abspielt, können nur einen Aspekt der Zellbiologie erfassen. Die Fähigkeit, mehrere Klassen von Molekülen gleichzeitig zu untersuchen, könnte zum Beispiel aufdecken, wie bestimmte genetische Mechanismen in Beziehung stehen und reguliert werden.

Es könnte auch die Nützlichkeit von Zellatlanten komplexer Organismen, wie denen des Wurms oder der Maus, verbessern. Schließlich könnte es hilfreich sein, einen menschlichen Zellatlas zu erstellen.

Die neue Methode wurde von Wissenschaftlern des Brotman Baty Instituts für Präzisionsmedizin in Seattle, der medizinischen Fakultät der University of Washington, der Oregon Health Sciences Universität, Illumina, Inc., Kalifornien, Allen Discovery Center für Zelllinie-Tracing, und Howard Hughes Medical Institute.

Der erste Autor der Studie ist Junyue Cao, ein Doktorand im Molekular- und Zellbiologie-Programm und in Genomwissenschaften an der University of Washington School of Medicine. Die Studie wurde von Jay Shendure und Cole Trapnell geführt. Beide sind Dozenten an der Abteilung für Genomwissenschaften der UW School of Medicine und Forscher am Brotman Baty Institute, wo Shendure der Direktor ist.

Die Forscher versuchten zunächst ihren Co-Assay an mehr als 4.800 Zellen in einem Lungenkrebs-abgeleiteten Zellkulturmodell der Cortisol-Antwort. In diesem Modell werden die Zellen mit dem Corticosteroid Dexamethason behandelt. Dieses synthetische Steroid kann die Bindung von Tausenden von Stellen auf dem Genom aktivieren und die Expression von Hunderten von Genen verändern.

Die Wissenschaftler untersuchten dann den zeitlichen Verlauf der Auswirkungen von Dexamethason auf die Genexpression sowie dynamische Veränderungen, die bei der Zugänglichkeit von Chromatin in denselben Zellen auftraten.

In verwandten Arbeiten versuchten die Forscher, die Gen-Kontroll-Landschaft zu untersuchen, die den Messenger-RNA-Sammlungen zugrunde liegt, die in den verschiedenen Arten von Zellen in Säugetier-Niere gefunden werden.

Bei der Anwendung ihres Co-Assays auf die Kerne von Mäusen aus der gesamten Maus fanden sie sowohl Transkriptom- als auch Chromatin-Zugänglichkeitsprofile aus 11.296 Zellen. Sie gruppierten ihre Mausnierenzellen in 14 Gruppen und charakterisierten zelltypspezifische Epigenomlandschaften und verknüpfte Transkriptommerkmale.

Basierend auf der Kovarianz zwischen Epigenom und Transkriptom haben die Forscher auch herausgefunden, dass sie Verbindungen zwischen entfernten genomischen Regulationselementen und ihren Zielgenen herstellen können, um einige der Unterschiede in der Genexpression in verschiedenen Zelltypen zu erklären.

In der Zukunft gibt es klare Vorteile eines gemeinsamen Assays gegenüber Assays, die nur entweder die RNA-Transkription oder die DNA-Zugänglichkeit profilieren. Ein Vorteil von sci-CAR ist, dass diese Methode potenziell dazu genutzt werden kann, Millionen einzelner Zellen gleichzeitig zu testen.

Zu den Einschränkungen gehört die geringe Verfügbarkeit einiger Chromatin-Zugänglichkeitsdaten. Die Forscher schlugen vor, dass dies in zukünftigen Experimenten durch die Optimierung einiger Aspekte des aktuellen Protokolls überwunden werden könnte.

Die Forscher hoffen, weiterhin zusätzliche Co-Assays zu kombinieren, so dass Molekularbiologen gleichzeitig den Fluss der genetischen Information von DNA zu RNA zu spezifischen Proteinen in jeder der vielen einzelnen Zellen verfolgen können, die in komplexen Lebewesen existieren können.

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