Новая карта на основе CRISPR связывает каждый ген человека с его функцией

Проект "Геном человека" был амбициозной инициативой по определению последовательности всех фрагментов ДНК человека, который был завершен в 2003 году. Теперь специалисты Массачусетского технологического института (МТИ) вышли за рамки определения последовательности и представили первую всеобъемлющую функциональную карту генов, которые экспрессируются в клетках человека. Данные этого проекта, опубликованные в журнале Cell, связывают каждый ген с его работой в клетке и являются кульминацией многолетнего сотрудничества по методу одноклеточного секвенирования Perturb-seq.

Проект использует преимущества подхода Perturb-seq, который позволяет проследить влияние включения или выключения генов с беспрецедентной глубиной. Метод Perturb-seq использует редактирование генома CRISPR-Cas9 для внесения генетических изменений в клетки, а затем с помощью секвенирования РНК одной клетки собирает информацию о РНК, которые экспрессируются в результате данного генетического изменения. Поскольку РНК контролируют все аспекты поведения клеток, этот метод может помочь расшифровать многочисленные клеточные эффекты генетических изменений.

В новом исследовании ученые увеличили масштаб метода до целого генома. Используя клеточные линии рака крови человека, а также нераковые клетки, полученные из сетчатки глаза, они провели Perturb-seq более чем с 2,5 миллионами клеток и использовали полученные данные для построения комплексной карты, связывающей генотипы с фенотипами.

Эти данные доступны для использования другими учеными.

Скрининг позволил исследователям углубиться в различные биологические вопросы. Они использовали его для изучения клеточных эффектов генов с неизвестными функциями, для изучения реакции митохондрий на стресс и для поиска генов, которые вызывают потерю или приобретение хромосом - фенотип, который в прошлом было трудно изучать.

После завершения скрининга исследователи решили использовать свой новый набор данных и изучить несколько биологических вопросов.

Первое, наиболее очевидное применение - поиск генов с неизвестными функциями. Поскольку при скрининге также считывались фенотипы многих известных генов, исследователи могли использовать эти данные для сравнения неизвестных генов с известными и поиска сходных транскрипционных результатов, что могло бы свидетельствовать о том, что продукты генов работают вместе как часть более крупного комплекса.

Еще одним плюсом Perturb-seq является то, что поскольку анализ фокусируется на отдельных клетках, исследователи могут использовать полученные данные для изучения более сложных фенотипов, которые становятся неясными, когда их изучают вместе с данными из других клеток.

Исследователи обнаружили, что подгруппа генов, удаление которых приводит к разным результатам в разных клетках, отвечает за сегрегацию хромосом. Их удаление приводило к тому, что клетки теряли хромосому или набирали лишнюю - состояние, известное как анеуплоидия. По словам исследователей,

Исследование анеуплоидии - самое интересное применение этих данных на сегодняшний день. Оно фиксирует фенотип, который можно получить только с помощью одноклеточного считывания. Вы не можете получить его другим способом.

Исследователи также использовали свой набор данных для изучения того, как митохондрии реагируют на стресс. Митохондрии, которые произошли от свободноживущих бактерий, несут в своем геноме 13 генов. В ядерной ДНК около 1 000 генов так или иначе связаны с функцией митохондрий. Исследователи обнаружили, что при возмущении различных генов, связанных с митохондриями, ядерный геном реагировал одинаково на многие различные генетические изменения. Однако реакция митохондриального генома была гораздо более разнообразной.