Ny «kodebok» over menneskets DNA viser at metylering kan endre genreguleringen

De nyoppdagede motivene var langt vanligere ved transkripsjonsfaktorers bindingssteder i levende celler enn man kunne forventet tilfeldig. Det gjorde det mulig å identifisere titusenvis av tidligere ukjente, konserverte og direkte bindingssteder i genomet. Mange av dem lå i promotorområder, altså DNA-regioner som bidrar til å regulere når gener aktiveres. Dataene gjorde det også lettere å knytte transkripsjonsfaktorers binding til mønstre i genuttrykket.

Ressursen gir nå informasjon om bindingsmotiver for omtrent 1 421 av anslagsvis 1 600 menneskelige transkripsjonsfaktorer. Det er ikke en komplett forklaring på genregulering, men kartet tetter et viktig hull: Hvilke proteiner kan gjenkjenne hvilke DNA-sekvenser?

Den andre brikken: meSMiLE-seq

Den ledsagende studien undersøkte et spørsmål vanlige motivkart ikke kan besvare: Binder en transkripsjonsfaktor seg annerledes når en DNA-base er kjemisk modifisert?

Forskerne utviklet meSMiLE-seq, en metode som bruker mikrofluidikk til å måle DNA-binding og deretter sekvensere resultatene. Analysen sammenligner en transkripsjonsfaktors binding til tilsvarende metylerte og umetylerte DNA-sekvenser. Dermed kan forskerne modellere både hvilken sekvens et protein foretrekker, og hvor følsomt det er for metylering.

I datasettet ble 114 menneskelige transkripsjonsfaktorer undersøkt gjennom 23 eksperimenter. Det ble laget bindingsmodeller for 48 av dem. Blant disse viste 13 redusert tiltrekning til metylert DNA, mens 11 enten foretrakk metylert DNA eller fikk et alternativt bindingssted som inkluderte modifikasjonen. For de øvrige faktorene ble det ikke observert noen effekt under forsøksbetingelsene.

Dette er verdt å merke seg fordi enkelte oppsummeringer oppgir tallet 14 for faktorer med økt eller endret metyleringsavhengig binding. Det siterte datasettets sammendrag oppgir imidlertid 11. Den mest forsiktige tolkningen er derfor at metyleringseffekter ble funnet hos en undergruppe av faktorene: 13 fikk svekket binding, mens 11 fikk økt eller endret preferanse i dette datasettet.

Metylering er ikke bare en av-bryter

Resultatene utfordrer den forenklede ideen om DNA-metylering som et automatisk signal om at et gen skal undertrykkes. Metylering kan hindre en transkripsjonsfaktor i å kjenne igjen et motiv, men kan også skape en kjemisk kontekst proteinet foretrekker eller styre det mot en annen sekvens. Effekten avhenger både av transkripsjonsfaktoren og DNA-sekvensen som undersøkes.

Dette kan bidra til å forklare hvordan celler med identisk arvemateriale likevel opprettholder ulike funksjoner. Celletyper produserer forskjellige transkripsjonsfaktorer, og DNA-metyleringen forekommer på ulike steder. Den samme DNA-sekvensen kan derfor bli oversett i én celletype, gjenkjent av et annet protein i en annen, eller bundet med ulik styrke når metyleringen i området endres.

Studiene kobler dermed sammen to nivåer i genreguleringen: sekvenskoden som er skrevet inn i DNA-bokstavene, og den epigenetiske tilstanden som påvirker hvordan koden blir lest.

Kan gi bedre forståelse av sykdomsrelaterte genvarianter

Det utvidede motivkartet kan gjøre det lettere å analysere genetiske varianter i ikke-kodende DNA – altså endringer utenfor områdene som inneholder oppskrifter på proteiner, men som likevel kan påvirke genreguleringen. En variant kan ødelegge et eksisterende bindingsmotiv eller skape et nytt. Metylering kan deretter avgjøre om det endrede området faktisk blir gjenkjent i en bestemt celletype.

Ressursen kan derfor bli nyttig i forskning på reguleringsendringer knyttet til utvikling, aldring og kreft. Den er likevel først og fremst et grunnleggende forskningsverktøy, ikke en klinisk diagnostisk test. Bindingsmodellene gir forskere et bedre utgangspunkt for videre analyser, men den biologiske effekten avhenger av celletypen og må bekreftes i relevante biologiske systemer.

Et mer realistisk bilde av hvordan DNA leses

Codebook-prosjektet samler forskere fra mer enn to dusin institusjoner i Nord-Amerika, Europa og Russland. Verdien ligger ikke bare i antallet undersøkte transkripsjonsfaktorer, men også i kombinasjonen av flere komplementære metoder, beregningsanalyser og validering i celler.

Til sammen viser studiene hvorfor genregulering ikke bør beskrives som en fast ordbok der hvert motiv alltid har én og samme betydning. Menneskeceller leser DNA-sekvensen sammen med kjemiske modifikasjoner, hvilke transkripsjonsfaktorer som er tilgjengelige, og miljøet i cellen. «Kodeboken» begynner å kartlegge selve sekvensordforrådet, mens meSMiLE-seq viser hvordan metylering kan endre måten ordforrådet blir tolket på.