Обнаружение генетических волновых эффектов в одноклеточной среде

Поиск генетических волновых эффектов в среде с одной ячейкой
                На этих изображениях из исследования, опубликованного Nature, показаны генные тепловые карты и графики, которые помогают проиллюстрировать связи, выявленные учеными между экспрессией генов и биологическими процессами при тяжелой врожденной нейтропении иммунитета (SCN). Анализ отдельных клеток в исследовании создает новую платформу для исследователей и клиницистов для изучения одноклеточной геномики различных заболеваний, с возможностью сделать генетическую клиническую диагностику более точной и эффективной. Кредит: Цинциннати Детский

Хотя достижения в области генетики и геномики показывают многочисленные связанные с заболеванием генные мутации, связанные с заболеванием, врачи и исследователи все еще сталкиваются с непростой задачей связать эти мутации с фактическими болезнетворными процессами.
                                                                                       

Добавьте это к растущему использованию одноклеточной биологии, которая обнаруживает экспрессию генов и/или белков в каждой клетке в данный момент, и задача становится еще более сложной.

Теперь исследователи из медицинского центра детской больницы Цинциннати сообщают в журнале Nature о разработке молекулярного рабочего процесса, в котором используются одноклеточные методы для понимания молекулярных путей, связанных с конкретными мутациями гена пациента. Ученые впервые определили мутацию гена, которая вызывает заболевание крови тяжелой врожденной нейтропенией (СКН) у детей. Было обнаружено, что эта мутация блокирует развитие клеток крови, что приводит к образованию нейтрофилов.

Исследование создает новую платформу для исследователей и клиницистов для изучения одноклеточной геномики множества различных заболеваний, которые потенциально могут сделать генетические диагнозы в клинике более точными и эффективными, по словам основного исследователя исследования, Х. Лейтон Граймс, доктор философии, в отделе иммунобиологии Детского Цинциннати.

«Помимо некоторых уже известных причинных мутаций, определение разницы между важными и несущественными изменениями ДНК может быть утомительным и трудным», — сказал Граймс. «Мы уже можем секвенировать геном ребенка и связать разницу в последовательности ДНК с заболеванием. Однако определить, какая из этих изменений ДНК является настоящей мутацией, вызывающей заболевание, сложно, но важно для понимания молекулярных механизмов заболевания и продвижения к лекарство. «

Отслеживание генетического вреда

Исследователи сосредоточились на мутациях с участием фактора роста гена Independent-1 (GFI1). Дети с SCN имеют только незрелые клетки крови в своей иммунной системе, включая незрелые нейтрофилы. Это подвергает их высокому риску инфекций и болезней.

Исследователи создали генетические модели SCN с мышами и человеческими нейтрофильными клетками, которые подтвердили вызывающий болезнь эффект мутаций GFI1 и позволили ученым определить, как мутантный GFI1 влияет на нейтрофильные клетки крови на каждой стадии цикла клеточного развития. Эти новые данные позволили им успешно лечить и частично спасать иммунные клетки, называемые нейтрофилами, в своих моделях SCN.

Хотя генетические манипуляции спасли влияние мутаций GFI1 на спецификацию нейтрофилов (начальный этап дифференцировки), полученные клетки все еще были дефектными по обязательствам (более поздняя стадия дифференцировки, где запрограммированы эффекторные функции). Это означало, что спасенные клетки все еще не могли полноценно функционировать как часть врожденной иммунной системы, первой линии защиты организма от инфекции.

Результаты исследования подчеркивают важность лечения каждого типа клеток, пораженного болезнью, вызывающей мутацию. Ожидается, что новая молекулярная система документооборота поможет облегчить стратегическое нацеливание на терапевтическое вмешательство.

Смешивание биологии и суперкомпьютеров

Работа началась в Отделе генетики человека с использованием клинического анализа, в котором повторно секвенировали геномы клеток у 225 детей с SCN. Исследователи обнаружили изменения последовательности ДНК в гене GFI1. Хотя известно, что некоторые мутации в GFI1 вызывают нейтропению, многие изменения последовательности ДНК GFI1 имели неизвестное клиническое значение.

Затем исследовательская группа объединила вычислительную биоинформатику (под руководством со-корреспондента Натана Саломониса, доктора философии) с биологическими экспериментами в лаборатории.

Чтобы определить, может ли любое из недавно обнаруженных изменений последовательности ДНК в GFI1 вызвать нейтропению, исследователи создали две генетические модели. А именно, они генетически внедрили мутации GFI1 пациента SCN в геном мыши и индуцированные человеком плюрипотентные стволовые клетки.

Стволовые клетки могут вызывать образование нейтрофильных клеток человека.

По мере развития нейтрофильных клеток исследователи захватывали их экспрессированные гены, протеомы и другие молекулярные компоненты в нормальных и мутантных клетках человека и мышах на каждой стадии цикла развития клеток. Затем они применили новый рабочий процесс информатики под названием cellHarmony. Это позволило им детализировать и сравнить нижестоящие гены-мишени и молекулярные активности нормальных и мутантных клеток на каждой стадии развития нейтрофилов.

В клетках человека и мышах с мутантом GFI1 мутация запускает каскад молекулярной дисфункции, который блокирует развитие незрелых нейтрофилов. Это подтвердило вызывающий заболевание эффект изменения последовательности ДНК гена GFI1.

Эта дисфункция была частично вызвана дефектами хроматина в ядрах развивающихся мутантных клеток — той части клетки, которая содержит ее генетический код и ДНК. Хроматин в мутантных клетках оставался открытым и подвергался изменениям ДНК на всех последующих стадиях развития. Это помогло ученым определить клеточные состояния, наиболее затронутые мутантным геном, особенно те, которые охватывают спецификацию нейтрофилов.

Новые данные позволили исследователям генетически восстановить спецификацию нейтрофилов, которая в свою очередь контролирует количество нейтрофилов. Но восстановление спецификации нейтрофилов не привело к автоматическому восстановлению активности нейтрофилов, стадии разработки, на которой запрограммирована врожденная иммунная функция нейтрофилов.

Детей с SCN регулярно лечат цитокином, называемым гранулоцитарным колониестимулирующим фактором, терапией, которая спасает количество производимых нейтрофилов. Но те же дети часто нуждаются в лечении антибиотиками и противогрибковыми препаратами для борьбы с различными инфекциями.

Граймс сказал, что это поднимает вопрос о том, полностью ли устраняет дефект цитокиновое лечение, тем более что детям, получающим цитокиновую терапию по поводу SCN, требуется дополнительное лечение, чтобы защитить их от повторных инфекций. Когда исследователи проанализировали врожденную иммунную функцию нейтрофилов у пациентов с SNC, получавших цитокины, они обнаружили, что, подобно клеткам мыши, в их исследовании клетки не подвергались нормальному взаимодействию и были дефектными по врожденной иммунной функции.

Дальнейшая работа в настоящее время сосредоточена на понимании шагов по выработке нейтрофилов и на том, как развивающиеся нейтрофилы программируют свою экспрессию хроматина и генов для борьбы с бактериальными и грибковыми инфекциями ./p>

Похожие новости

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *