“Kod buku” DNA manusia memetakan 177 faktor transkripsi dan menunjukkan metilasi boleh mengubah cara gen dibaca

Dua kajian yang dijalankan dalam kerjasama penyelidikan antarabangsa yang sama memperincikan cara sel manusia mengawal gen. Kajian pertama, diketuai Timothy Hughes dari University of Toronto, menghasilkan “Codebook” yang lebih luas tentang pilihan jujukan DNA bagi faktor transkripsi. Kajian susulan oleh pasukan Bart Deplancke pula memperkenalkan kaedah untuk menguji bagaimana metilasi DNA mengubah pilihan tersebut.

Penemuan utamanya: kawal atur gen tidak bergantung pada jujukan DNA semata-mata. Metilasi boleh mengubah cara faktor transkripsi mengenali sesuatu jujukan—kadangkala melemahkan pengikatan, mengubah jujukan yang paling disukai, atau meningkatkan daya tarikan terhadap tapak tertentu.

Apa yang diukur oleh Codebook?

Faktor transkripsi ialah protein yang membantu mengawal pengaktifan gen dengan mengenali jujukan pendek DNA yang dipanggil motif. Namun, bagi banyak faktor transkripsi manusia, maklumat eksperimen tentang tapak pengikatannya masih terhad atau belum tersedia.

Konsortium Codebook menggabungkan lima platform eksperimen dengan analisis pengiraan. Mereka menjalankan lebih 4,800 eksperimen terhadap 332 faktor transkripsi manusia yang berpotensi atau kurang dicirikan. Motif pengikatan DNA berjaya dikenal pasti bagi 177 faktor, bersamaan 53 peratus, dan kira-kira 130 motif berbeza ditambah kepada “kosa kata” kawal atur gen manusia.

Motif yang diukur itu didapati sangat banyak hadir di tapak pengikatan faktor transkripsi yang diperhatikan dalam sel. Dengan itu, penyelidik dapat mengenal pasti berpuluh-puluh ribu tapak pengikatan genom yang sebelum ini tidak diketahui, dipelihara sepanjang evolusi dan berlaku secara langsung. Banyak daripadanya tertumpu di kawasan promoter—bahagian DNA yang membantu mengawal permulaan ekspresi gen. Data ini turut meningkatkan keupayaan untuk menghubungkan pengikatan faktor transkripsi dengan corak ekspresi gen.

Secara keseluruhan, sumber ini memperluas liputan motif kepada kira-kira 1,421 daripada anggaran 1,600 faktor transkripsi manusia. Codebook bukanlah jawapan lengkap tentang semua proses kawal atur gen, tetapi ia mengurangkan jurang besar dalam peta rujukan genom manusia: protein mana yang boleh mengenali jujukan DNA tertentu.

Apa yang ditambah oleh meSMiLE-seq?

Kajian pendamping itu menumpukan persoalan yang tidak dapat dijawab oleh peta motif biasa: adakah faktor transkripsi mengikat secara berbeza apabila bes DNA mengalami pengubahsuaian kimia?

Penyelidik memperkenalkan meSMiLE-seq, singkatan bagi methylation-sensitive selective microfluidics-based ligand enrichment followed by sequencing. Kaedah berasaskan mikrofluidik ini membandingkan pengikatan faktor transkripsi pada DNA termetilasi dengan DNA sepadan yang tidak termetilasi. Perbandingan itu membolehkan penyelidik memodelkan kedua-dua keutamaan jujukan dan kepekaan terhadap metilasi.

Rekod dataset menunjukkan 114 faktor transkripsi manusia diuji dalam 23 eksperimen, dengan model pengikatan berjaya dibina bagi 48 faktor. Daripada jumlah itu, 13 menunjukkan kecenderungan mengelak DNA termetilasi, manakala 11 menunjukkan sama ada keutamaan terhadap DNA termetilasi atau tapak pengikatan alternatif yang merangkumi pengubahsuaian tersebut. Pengikatan faktor yang lain tidak terjejas di bawah keadaan ujian berkenaan.

Perincian ini penting kerana sesetengah ringkasan menyebut angka 14 bagi kumpulan yang menunjukkan keutamaan atau perubahan pengikatan berkaitan metilasi. Namun, abstrak dataset yang dirujuk melaporkan angka 11. Oleh itu, tafsiran yang lebih berhati-hati ialah kesan bergantung pada metilasi dikesan dalam sebahagian faktor transkripsi: 13 menunjukkan pengikatan berkurang, manakala 11 menunjukkan keutamaan meningkat atau perubahan pilihan pengikatan dalam rekod tersebut.

Metilasi bukan suis “mati” sejagat

Dapatan ini mencabar gambaran mudah bahawa metilasi DNA secara automatik menekan aktiviti gen. Metilasi boleh mengganggu keupayaan faktor transkripsi mengenali motif, tetapi ia juga boleh menghasilkan konteks kimia yang lebih disukai atau mengubah jujukan yang menjadi sasaran sesuatu faktor. Kesannya bergantung pada faktor transkripsi dan jujukan DNA yang diuji.

Hal ini membantu menjelaskan bagaimana sel yang mempunyai genom sama boleh mengekalkan program kawal atur yang berbeza. Jenis sel berbeza dari segi faktor transkripsi yang dihasilkan dan lokasi metilasi DNA berlaku. Akibatnya, jujukan yang sama mungkin tidak digunakan dalam satu konteks sel, dikenali oleh faktor berbeza dalam konteks lain, atau diikat dengan kekuatan berlainan apabila isyarat kimia setempat berubah.

Ringkasnya, kedua-dua kajian ini menghubungkan dua lapisan kawal atur gen: kod jujukan yang ditulis melalui huruf-huruf DNA dan keadaan epigenetik yang mempengaruhi cara kod itu dibaca.

Mengapa peta ini penting untuk penyelidikan penyakit?

Katalog motif yang lebih luas boleh membantu penyelidik menganalisis varian genetik bukan pengekodan—perubahan DNA yang berlaku di luar kawasan yang menghasilkan protein tetapi masih boleh mempengaruhi kawal atur gen. Sesuatu varian mungkin memusnahkan motif faktor transkripsi sedia ada atau mencipta motif baharu. Metilasi kemudiannya boleh menentukan sama ada tapak yang berubah itu benar-benar dikenali dalam jenis sel tertentu.

Sumber ini berpotensi membantu kajian tentang perubahan kawal atur yang berkaitan dengan perkembangan, penuaan dan kanser. Namun, peranan langsungnya buat masa ini ialah sebagai rujukan asas penyelidikan, bukan ujian diagnosis klinikal. Model pengikatan itu menyediakan titik permulaan yang lebih kukuh untuk eksperimen dan tafsiran, tetapi kesan biologi masih bergantung pada konteks sel dan perlu disahkan dalam sistem yang berkaitan.

Gambaran lebih besar

Projek Codebook melibatkan kerjasama besar antara lebih dua dozen institusi di Amerika Utara, Eropah dan Rusia. Nilainya bukan hanya pada jumlah faktor yang diukur, tetapi juga pada gabungan ujian pelengkap, analisis pengiraan dan pengesahan dalam sel.

Bersama-sama, kajian ini menunjukkan mengapa model kawal atur gen yang lebih realistik diperlukan. Sel manusia tidak membaca DNA seperti kamus tetap yang memberikan satu makna tidak berubah kepada setiap motif. Sebaliknya, sel mentafsir jujukan DNA bersama pengubahsuaian kimia, faktor transkripsi yang tersedia dan persekitaran sel di sekelilingnya. Codebook mula menyenaraikan kosa kata jujukan itu, manakala meSMiLE-seq menunjukkan bagaimana metilasi boleh mengubah cara kosa kata tersebut dibaca.