Nyt DNA-kodeks viser, hvordan methyl­ering ændrer cellernes genregler

De nyfundne motiver var tydeligt overrepræsenterede på transkriptionsfaktorers bindingssteder i levende celler. Det gjorde det muligt at identificere titusindvis af hidtil ukendte, bevarede og direkte bindingssteder i genomet – mange af dem i promotorregioner, som ligger tæt på genernes startpunkter. Dataene forbedrede også muligheden for at forbinde transkriptionsfaktorers binding med mønstre i genaktiviteten.

Den samlede ressource indeholder nu motif-information for omkring 1.421 af anslået 1.600 menneskelige transkriptionsfaktorer. Det er ikke en fuldstændig forklaring på genregulering, men det lukker et vigtigt hul i referencekortet over, hvilke proteiner der kan genkende hvilke DNA-sekvenser.

Methyl­ering kan ændre den genetiske „læsning“

Det ledsagende studie tog fat på et spørgsmål, som almindelige motif-kort ikke kan besvare: Binder en transkriptionsfaktor anderledes, når en DNA-base er kemisk modificeret?

Forskerne udviklede meSMiLE-seq, en metode, hvis fulde engelske navn er methylation-sensitive selective microfluidics-based ligand enrichment followed by sequencing. Den mikrofluidiske analyse sammenligner en transkriptionsfaktors binding til matchende methylerede og ikke-methylerede DNA-sekvenser. På den måde kan forskerne modellere både sekvenspræference og følsomhed over for methyl­ering.

Datasættet beskriver undersøgelser af 114 menneskelige transkriptionsfaktorer fordelt på 23 eksperimenter. Der blev opstillet bindingsmodeller for 48 af faktorerne. Blandt disse 48 viste 13 en modvilje mod methyleret DNA, mens 11 enten foretrak methyleret DNA eller ændrede bindingssted til en sekvens, der indeholdt den kemiske modifikation. For de resterende faktorer blev bindingen ikke påvirket under forsøgsbetingelserne.

Tallet er værd at bemærke, fordi nogle opsummeringer angiver 14 faktorer med methyl­eringspræference eller ændret binding. Det citerede datasæt angiver imidlertid 11. Den mest forsigtige konklusion er derfor, at methyl­eringsafhængige effekter blev observeret hos en delmængde af faktorerne: 13 bandt dårligere, mens 11 fik en stærkere eller ændret præference i dette datasæt.

Methyl­ering er ikke en universel slukknap

Resultaterne udfordrer den forenklede opfattelse, at DNA-methyl­ering automatisk lukker for genaktivitet. Methyl­ering kan forstyrre en transkriptionsfaktors genkendelse af et motiv, men kan også skabe en kemisk sammenhæng, som faktoren foretrækker, eller ændre, hvilken sekvens den binder til. Effekten afhænger både af transkriptionsfaktoren og af den DNA-sekvens, der undersøges.

Det er med til at forklare, hvordan celler med det samme genom kan fastholde forskellige regulatoriske programmer. Celletyper varierer både i, hvilke transkriptionsfaktorer de producerer, og hvor i DNA'et methyl­ering forekommer. Den samme sekvens kan derfor blive ignoreret i én celletype, genkendt af en anden faktor i en anden sammenhæng eller bundet med en anden styrke, når den lokale methyl­ering ændrer DNA'ets signal.

Studierne forbinder dermed to lag af genregulering: sekvenskoden, som er skrevet i DNA'ets bogstaver, og den epigenetiske tilstand, der ændrer, hvordan bogstaverne bliver læst.

Mulig betydning for sygdomsforskning

Det udvidede katalog over motiver kan gøre det lettere at analysere genetiske varianter i ikke-kodende DNA – altså ændringer uden for de områder, der indeholder opskrifter på proteiner, men som stadig kan påvirke genreguleringen. En variant kan ødelægge et eksisterende bindingsmotiv eller skabe et nyt. Methyl­ering kan derefter være afgørende for, om det ændrede sted faktisk bliver genkendt i en bestemt celletype.

Ressourcen kan derfor blive nyttig i studier af regulatoriske ændringer, der har betydning for udvikling, aldring og kræft. Den fungerer dog først og fremmest som et grundlæggende forskningsværktøj – ikke som en klinisk diagnostisk test. Bindingsmodellerne giver et bedre udgangspunkt for nye eksperimenter og fortolkninger, men de biologiske konsekvenser afhænger fortsat af cellekonteksten og skal bekræftes i relevante systemer.

Et mere realistisk billede af genregulering

Codebook-projektet er resultatet af et stort samarbejde mellem mere end to dusin institutioner i Nordamerika, Europa og Rusland. Værdien ligger ikke kun i antallet af undersøgte faktorer, men også i kombinationen af forskellige målemetoder, beregningsanalyser og validering i celler.

Tilsammen viser studierne, hvorfor genregulering bør forstås mere nuanceret. Menneskeceller læser ikke DNA ved hjælp af en fast ordbog, hvor hvert motiv altid har én uforanderlig betydning. De fortolker sekvensen sammen med kemiske modifikationer, de tilgængelige transkriptionsfaktorer og det omgivende cellemiljø.

Codebook begynder at katalogisere dette sekvensmæssige ordforråd, mens meSMiLE-seq viser, hvordan methyl­ering kan ændre den måde, ordforrådet bliver læst på.