Ihmisen DNA:n uusi ”koodikirja” kartoittaa 177 transkriptiotekijää – metylaatio voi muuttaa lukusääntöjä

Kokeissa tunnistetut motiivit olivat soluissa havaittujen transkriptiotekijöiden sitoutumiskohtien yhteydessä selvästi yliedustettuina. Tämän avulla tutkijat pystyivät tunnistamaan ihmisen genomista kymmeniätuhansia aiemmin tuntemattomia, säilyneitä ja suoria sitoutumiskohtia. Monet niistä sijaitsevat promoottorialueilla, jotka osallistuvat geenien käynnistämiseen, ja tulokset auttoivat yhdistämään transkriptiotekijöiden sitoutumisen geenien ilmentymiseen.

Codebook laajentaa motiivitiedon noin 1 421:een arviolta 1 600 ihmisen transkriptiotekijästä. Se ei vielä ole täydellinen selitys geenien säätelylle, mutta se paikkaa merkittävää aukkoa: tutkijat voivat aiempaa paremmin arvioida, mitkä proteiinit tunnistavat mitkäkin DNA-sekvenssit.

Metylaatio tuo DNA:n lukemiseen uuden kerroksen

Deplancken ryhmän tutkimus keskittyi kysymykseen, johon tavalliset motiivikartat eivät vastaa: sitoutuuko transkriptiotekijä eri tavalla, jos DNA-emäs on kemiallisesti muokattu?

Tutkijat kehittivät meSMiLE-seq-menetelmän. Nimi tulee englanninkielisestä ilmauksesta methylation-sensitive selective microfluidics-based ligand enrichment followed by sequencing. Menetelmässä verrataan transkriptiotekijän sitoutumista keskenään vastaavaan metyloituun ja metyloimattomaan DNA:han. Näin voidaan mallintaa yhtä aikaa sekä sekvenssien tunnistamista että herkkyyttä DNA-metylaatiolle.

Tietokantaan raportoidussa aineistossa testattiin 114 ihmisen transkriptiotekijää 23 kokeessa, ja sitoutumismallit saatiin 48 tekijälle. Näistä 13 karttoi metyloitua DNA:ta. Lisäksi 11 osoitti joko mieltymystä metyloituun DNA:han tai vaihtoehtoista sitoutumiskohtaa, jossa muokkaus oli mukana. Muiden tutkittujen tekijöiden sitoutumiseen metylaatiolla ei ollut vaikutusta käytetyissä koeolosuhteissa.

Joissakin yhteenvedoissa metyloitumista suosivien tai muuttuneesti sitoutuvien tekijöiden määräksi on ilmoitettu 14. Viitatussa aineistotietueessa luku on kuitenkin 11, joten varovaisin tulkinta perustuu siihen: 13 tekijällä sitoutuminen väheni ja 11:llä se voimistui tai sen kohdesekvenssi muuttui.

DNA-metylaatio ei ole yleinen ”pois päältä” -kytkin

Tulokset haastavat yksinkertaistetun ajatuksen, jonka mukaan DNA-metylaatio olisi automaattisesti geenitoimintaa vaimentava signaali. Metylaatio voi estää transkriptiotekijää tunnistamasta tiettyä motiivia, mutta se voi myös muodostaa proteiinille suotuisan kemiallisen ympäristön tai ohjata sen sitoutumaan toiseen sekvenssiin. Vaikutus riippuu sekä transkriptiotekijästä että tutkittavasta DNA-jaksosta.

Tämä auttaa selittämään, miksi saman perimän omaavat solut voivat ylläpitää erilaisia toimintatapoja. Solutyypit tuottavat erilaisia määriä transkriptiotekijöitä, ja DNA-metylaatio sijoittuu niissä eri kohtiin. Siksi sama DNA-sekvenssi voi jäädä yhdessä solussa huomiotta, tulla toisessa eri tekijän tunnistamaksi tai sitoa samaa tekijää eri voimakkuudella metylaatiotilan muuttuessa.

Tutkimukset yhdistävät näin kaksi geenien säätelyn tasoa: DNA:n emäskirjaimista muodostuvan sekvenssikoodin ja epigeneettisen tilan, joka vaikuttaa siihen, miten koodia luetaan.

Miksi kartta voi olla hyödyllinen sairaustutkimuksessa?

Laajempi motiivikokoelma voi parantaa sellaisten geneettisten varianttien tulkintaa, jotka sijaitsevat proteiineja koodaavien alueiden ulkopuolella. Nämä niin sanotut ei-koodaavat muutokset voivat silti vaikuttaa geenien säätelyyn. Variantti voi esimerkiksi rikkoa olemassa olevan transkriptiotekijän sitoutumismotiivin tai luoda uuden. Metylaatio voi puolestaan ratkaista, tunnistetaanko muuttunut kohta tietyssä solutyypissä lainkaan.

Resurssista voi siten olla hyötyä kehityksen, ikääntymisen ja syövän säätelymuutosten tutkimuksessa. Tässä vaiheessa kyse on kuitenkin perustutkimuksen viiteaineistosta, ei kliinisestä diagnostisesta testistä. Sitoutumismallit tarjoavat vahvemman lähtökohdan kokeille ja tulosten tulkinnalle, mutta biologiset vaikutukset riippuvat solukontekstista ja on varmistettava asiaankuuluvissa järjestelmissä.

Laajempi merkitys

Codebook on yli kahden tusinan tutkimuslaitoksen yhteistyöhanke, johon osallistui ryhmiä Pohjois-Amerikasta, Euroopasta ja Venäjältä. Hankkeen arvo ei perustu ainoastaan tutkittujen tekijöiden määrään, vaan myös toisiaan täydentävien menetelmien, laskennallisen analyysin ja soluissa tehdyn validoinnin yhdistämiseen.

Yhdessä tutkimukset osoittavat, miksi geenien säätelystä tarvitaan aiempaa realistisempi malli. Ihmisen solut eivät lue DNA:ta kiinteän sanakirjan tavoin niin, että jokaisella motiivilla olisi aina yksi muuttumaton merkitys. Ne tulkitsevat sekvenssiä yhdessä kemiallisten muokkausten, solussa saatavilla olevien transkriptiotekijöiden ja muun soluyhteyden kanssa. Codebook alkaa luetteloida tätä sekvenssien ”sanastoa”, kun taas meSMiLE-seq näyttää, miten metylaatio voi muuttaa tapaa, jolla sanastoa luetaan.