Чтобы понять, как геном человека управляет работой клетки и как она выглядит, важно, чтобы ученые поняли, какие части генома активируются в различных типах клеток, и как эти части действуют сообща, чтобы убедиться, что клетка функционирует правильно. Для изучения этих вопросов исследователи разработали инструменты, которые измеряют структуру и активность генетического материала в клетках.
В живых клетках геном плотно упакован в структуру, называемую хроматином. Хроматин состоит из геномной ДНК, белков и РНК. Когда клетка активно расшифровывает и реплицирует ДНК, хроматин более свободен или доступен. Ученые могут измерить доступность хроматина, чтобы определить, какие области генома, вероятно, являются активными в данный момент времени. Они также могут измерять уровни метилирования ДНК, когда молекулы добавляются в ДНК для "отключения" частей генома, чтобы увидеть, какие участки ДНК могут быть подавлены.
Себастьян Потт, доцент кафедры генетики человека Чикагского университета, работает над тем, чтобы ответить на некоторые из этих вопросов. В новом исследовании, опубликованном в журнале eLife, он протестировал инструмент, который измеряет как доступность хроматина, так и метилирование ДНК, чтобы определить, можно ли его применить к отдельным клеткам.
Почему было важно посмотреть, работает ли этот метод для отдельных клеток?
До недавнего времени большинство этих исследований проводились с использованием больших образцов, содержащих тысячи клеток. Это выгодно, потому что исходный материал не ограничен. Тем не менее, стало ясно, что даже клетки, которые, казалось бы, одного и того же типа отличаются друг от друга. Эти различия теряются при использовании объемных образцов, которые будут отражать среднюю популяцию клеток.
Поэтому необходимо разработать методы измерения этих характеристик в отдельных ячейках. Поскольку исходный материал (из одной клетки) очень мал, крайне важно модифицировать многие из устоявшихся методов при их адаптации для измерений в одной клетке. Изучение особенностей генома в отдельных клетках имеет дополнительное ограничение, заключающееся в том, что образец не может быть разделен. Для устранения этих ограничений было разработано исследование с целью проверки возможности применения к отдельным клеткам метода измерения как доступности хроматина, так и метилирования ДНК, получившего название NOMe-seq.
Действительно ли это работает?
Данное исследование подтверждает, что scNOMe-seq обнаруживает эндогенное метилирование ДНК и доступность хроматина одновременно из одной клетки. Для проверки работоспособности scNOMe-seq исследование проводилось в хорошо охарактеризованных линиях клеток человека. Регионы регуляции показали характерную доступность хроматина в отдельных клетках. Как уже отмечалось ранее в объемных образцах, метилирование ДНК в этих регионах обратно пропорционально соотносилось с доступностью хроматина. Таким образом, это исследование доказало, что scNOMe-seq восстанавливает те же особенности организации хроматина, что и у насыпных образцов.
Что ученые смогут сделать с таким инструментом?
Многие биологические образцы содержат смеси клеточных типов. В результате, при изучении такого образца часто бывает трудно выделить конкретный тип клетки для детальной характеристики. Например, не все типы клеток в ткани могут быть известны заранее или имеют специальные маркеры, которые позволяют маркировать их и отделять от остальных. В таких случаях scNOMe-seq может применяться для измерения регуляторной активности (то есть доступности метилирования ДНК и хроматина) в отдельных клетках без предварительной изоляции определенных типов клеток. Такой подход может быть особенно полезен при изучении образцов опухолей, которые зачастую очень неоднородны.
Какова была самая большая проблема в ходе этого исследования?
Клетки содержат очень небольшое количество ДНК, и самая большая проблема этой работы заключалась в захвате такого количества ДНК в клетке, чтобы иметь возможность измерять что-либо вообще. Только после очень длительного процесса можно оценить, работает ли этот метод, и поэтому было довольно здорово видеть, что этот подход на самом деле оказался очень похож на данные, полученные из тысяч клеток.
Над чем ведется дальнейшая работа?
Цель данного исследования состояла в том, чтобы доказать принцип надежного получения данных из отдельных ячеек с помощью этого метода. Но, конечно, мотивацией для разработки метода было использование его для изучения биологически и клинически значимых проблем. Планируется применить эту методику для изучения активации иммунных клеток. Особенно интересно понять, как регулируются реакции иммунных клеток в отдельных клетках.
