SST1/NBL2-makrosatelliittien yllättävä rooli genomin vakaudessa

Suuria osia ihmisen genomista pidettiin pitkään pelkkänä ”roskana” – toistuvina DNA-jaksoina, joilla ei uskottu olevan mitään virkaa. Yksi tällainen ryhmä on SST1/NBL2-makrosatelliitit, jotka ovat kädellisille ominaisia tandem-toistoja akrosentristen kromosomiemme (13, 14, 15, 21 ja 22) sentromeerialueiden läheisyydessä.

Uusi, erityisesti pitkän lukusekvensoinnin mahdollistama tutkimus muuttaa käsityksemme täysin. Nämä aiemmin sivuutetut alueet on nyt yhdistetty syöpään, ihmisen yleisimpään kromosomien rakennemuutokseen ja jopa tiettyihin Downin oireyhtymän muotoihin . Tarina on oiva esimerkki siitä, kuinka teknologian kehitys avaa ikkunoita aivan uudenlaisen biologian äärelle.

Mitä SST1/NBL2-makrosatelliitit ovat?

Makrosatelliitit ovat poikkeuksellisen suuria toistuvan DNA:n lohkoja. Esimerkiksi NBL2-makrosatelliitti koostuu 1,4 kiloemäksen mittaisista yksiköistä, jotka toistuvat tuntemattoman monta kertaa kromosomeissa 13, 14, 15 ja 21 . Vuosien ajan näiden alueiden valtava koko ja toisteisuus tekivät niiden kokoamisesta ja tutkimisesta mahdotonta tavallisilla lyhyen lukusekvensoinnin menetelmillä. Ne olivat tutkijoille käytännössä näkymättömiä .

Tämä muuttui pitkän lukusekvensoinnin alustojen myötä. Oxford Nanoporen ja PacBion sekvensaattorit tuottavat lukuja, jotka voivat kattaa kokonaisia toistojaksoja kerralla. Lisäksi Telomere-to-Telomere (T2T) -konsortio on nyt koonnut ensimmäiset täydelliset ihmisen genomit, joissa nämäkin alueet ovat ensimmäistä kertaa mukana tarkasti .

Yllättävä yhteys syöpään

Yksi merkittävimmistä löydöksistä on, että SST1/NBL2-toistot menettävät kasvaimissa usein metyyliryhmiään – ilmiötä kutsutaan demetylaatioksi. Tämä on yksi yleisimpiä epigeneettisiä muutoksia ihmisen syövissä . Demetylaatio ikään kuin herättää nämä toistoalueet. Kun niiden epigeneettinen vaimennus poistuu, alueet aktivoituvat ja niitä aletaan kopioida RNA:ksi .

Tämän transkription tuloksena syntyy aiemmin tuntematon molekyyli: pitkä ei-koodaava RNA, joka on nimetty TNBL:ksi (engl. Tumor-associated NBL2 transcript). Toisin kuin paksusuolen syövässä tehdyissä alkuperäisissä havainnoissa, myöhemmät tutkimukset ovat osoittaneet, että TNBL muodostaa tumajyvästä ympäröiviä kertymiä ja on fyysisessä vuorovaikutuksessa solun kriittisiin toimintoihin osallistuvien proteiinien, kuten silmikointitekijä SAM68:n ja DNA-vauriovasteen osien, kanssa .

On kuitenkin syytä korostaa, että suoraa syy-seuraussuhdetta ei ole vielä osoitettu. Ei ole selvää, edistääkö TNBL aktiivisesti kasvaimen muodostumista vai onko se vain sivutuote siitä laajamittaisesta epigeneettisestä kaaoksesta, joka on tyypillistä syöpäsoluille .

Robertsoni-translokaatiot ja Downin oireyhtymä

SST1/NBL2-jaksot sijaitsevat akrosentristen kromosomien lyhyissä käsivarsissa. Nämä ovat alueita, jotka ovat alttiita ns. Robertsoni-translokaatioille. Kyseessä on yleisin ihmisen kromosomirakennetta koskeva poikkeavuus, jossa kaksi akrosentristä kromosomia fuusioituu sentromeeriensä kohdalta. Kun translokaatioon osallistuu kromosomi 21, seurauksena voi olla periytyvä trisomia 21:n muoto. Tämä kattaa vähemmistön, noin 4 %, kaikista Downin oireyhtymän tapauksista .

Uusin tutkimustieto asemoi SST1/NBL2:n merkkiaineeksi rakenteellisesti haavoittuvaisille genomialueille. Vaikka toistojen itsessään ei ole todistettu suoraan aiheuttavan translokaatioita, niiden läsnäolo ja epigeneettinen tila saattavat vaikuttaa ympäröivän kromatiinin vakauteen .

Kuinka pitkä lukusekvensointi mursi tiedon esteet

Tämä koko tutkimusalue oli käytännössä mahdoton ennen pitkän lukusekvensoinnin kypsymistä. Lyhyen matkan teknologiat pilkkovat DNA:n liian pieniksi paloiksi, jotta pitkät tandem-toistot voitaisiin kattaa. Seurauksena lukemat joko romahtivat tai ne hylättiin kokoonpanovaiheessa. Keskeisiä teknisiä läpimurtoja ovat olleet:

• Täydelliset genomin kokoonpanot: Erityisesti PacBio HiFi- ja Oxford Nanopore -datan avulla rakennettu T2T-ihmisgenomi sulki vihdoin aukot niissä akrosentristen kromosomien käsivarsissa, joissa SST1/NBL2 sijaitsee .
• Suorien rakennemuutosten havaitseminen: Tutkimuksissa on käytetty Nanopore-sekvensointia matalalla kattavuudella paikantamaan tasapainoisten translokaatioiden katkeamiskohtia toistoalueilla, jotka fluoresenssi in situ -hybridisaatiolta (FISH) ja lyhyen matkan sekvensoinnilta olivat jääneet huomaamatta .
• Toistotranskriptien löytäminen: Nanoporen kyky sekvensoida kokonaisia RNA-molekyylejä ilman lyhytlukusekvensoinnin vaatimaa kokoamisvaihetta antaa tutkijoille mahdollisuuden tunnistaa toistoista peräisin olevia transkriptejä, kuten TNBL, jotka muuten jäisivät pimentoon .

Tulevaisuuden näkymät: biomarkkereita ja muuta

Tutkimus on yhä perustavanlaatuisessa löytövaiheessa, mutta kliinisiä sovelluksia jo hahmotellaan. Jos TNBL:n tai muiden makrosatelliiteista peräisin olevien RNA:iden osoitetaan toiminnallisesti edistävän syöpää, ne voisivat toimia taudin biomarkkereina – havaittavina signaaleina veressä tai kudoksessa – tai jopa terapeuttisina kohteina. Vuorovaikutukset silmikoinnin ja DNA:n korjauskoneiston kanssa viittaavat väyliin, joihin voitaisiin ehkä vaikuttaa lääkkeillä .

Pitkä lukusekvensointi mahdollistaa nyt myös ihmisten luonnollisen vaihtelun tutkimisen näillä alueilla – toistokopioiden määrän, metylaation ja ilmentymisen erot niin yksilöiden kuin kasvainten välillä – mikä on olennaista niiden biologisen merkityksen ymmärtämiseksi .

Toistaiseksi SST1/NBL2-makrosatelliittien tarina on vahva muistutus siitä, että genomimme merkittäviä lukuja on vielä lukematta. Välineet niiden lukemiseen ovat vihdoin saapuneet.