Ny DNA-karta visar hur metylering ändrar cellens genetiska läsregler

Två studier inom samma internationella forskningssatsning ger en tydligare bild av hur mänskliga celler reglerar gener. Den första, ledd av Timothy Hughes vid University of Toronto, har skapat ett utvidgat ”Codebook” över transkriptionsfaktorers preferenser när de binder till DNA. I den kompletterande studien presenterade Bart Deplanckes forskargrupp en metod för att undersöka hur DNA-metylering förändrar dessa preferenser.

Den centrala slutsatsen är att genreglering inte bara avgörs av själva DNA-sekvensen. Metylering kan påverka hur en transkriptionsfaktor känner igen en sekvens – ibland genom att försvaga bindningen, ibland genom att ändra den föredragna sekvensen och ibland genom att öka bindningsförmågan.

Ett större ”kodex” över DNA-bindning

Transkriptionsfaktorer är proteiner som hjälper till att styra genuttrycket genom att känna igen korta DNA-sekvenser, så kallade motiv. För många mänskliga transkriptionsfaktorer har det hittills funnits liten eller ingen experimentellt bekräftad information om vilka sekvenser de binder till.

Codebook-konsortiet kombinerade fem experimentella plattformar med beräkningsanalyser. Totalt genomfördes mer än 4 800 experiment på 332 antagna eller dåligt karakteriserade mänskliga transkriptionsfaktorer. Forskarna identifierade DNA-bindande motiv för 177 av dem, motsvarande 53 procent, och lade till omkring 130 distinkta motiv till det kända ”ordförrådet” för mänsklig genreglering.

De nyidentifierade motiven förekom betydligt oftare vid transkriptionsfaktorers bindningsställen i celler. Det gjorde det möjligt att hitta tiotusentals tidigare okända, bevarade och direkta bindningsställen i arvsmassan. Många av dem låg i promotorregioner, alltså DNA-områden nära genernas start, och uppgifterna förbättrade också möjligheten att koppla transkriptionsfaktorers bindning till genuttryck.

Den nya resursen innehåller därmed motivinformation för omkring 1 421 av uppskattningsvis 1 600 mänskliga transkriptionsfaktorer. Det är inte en fullständig förklaring av genreglering, men kartan minskar en viktig kunskapslucka: vilka proteiner som kan känna igen vilka DNA-sekvenser.

En metod som testar metyleringens betydelse

Den kompletterande studien fokuserade på en fråga som vanliga motivkartor inte kan besvara: binder en transkriptionsfaktor annorlunda när en DNA-bas har försetts med en kemisk modifiering?

Forskarna utvecklade meSMiLE-seq, en metod vars namn står för methylation-sensitive selective microfluidics-based ligand enrichment followed by sequencing. Med hjälp av ett mikrofluidiktest jämförs en transkriptionsfaktors bindning till matchande metylerade och ometylerade DNA-sekvenser. På så sätt går det att modellera både vilken DNA-sekvens faktorn föredrar och hur känslig den är för metylering.

I 23 experiment testades 114 mänskliga transkriptionsfaktorer. För 48 av dem kunde forskarna ta fram bindningsmodeller. Enligt det publicerade datasetet undvek 13 av dessa metylerat DNA, medan 11 antingen föredrog metylerat DNA eller fick ett alternativt bindningsställe som inkluderade modifieringen. För de återstående faktorerna påverkades bindningen inte under de villkor som användes i testet.

Det är värt att vara noggrann med siffrorna. Vissa sammanfattningar anger 14 faktorer med metyleringspreferens eller förändrad bindning, men datasetets abstract rapporterar 11. Den försiktigare tolkningen är därför att metyleringsberoende effekter sågs hos en delmängd av faktorerna: 13 fick minskad bindning och 11 fick ökad eller förändrad preferens i den redovisade analysen.

Metylering är ingen universell avstängningsknapp

Resultaten utmanar den förenklade bilden av DNA-metylering som en automatisk signal för att stänga av gener. Metylering kan störa en transkriptionsfaktors igenkänning av ett motiv, men kan också skapa en kemisk miljö som faktorn föredrar eller styra om vilken sekvens den binder till. Effekten beror på både transkriptionsfaktorn och DNA-sekvensen.

Det bidrar till att förklara hur celler med samma arvsmassa kan upprätthålla helt olika genetiska program. Olika celltyper producerar olika uppsättningar transkriptionsfaktorer och har metylering på olika platser i DNA:t. Därför kan samma sekvens ignoreras i en celltyp, kännas igen av en annan faktor i en annan celltyp eller bindas med annan styrka när den lokala metyleringen förändras.

Studierna kopplar därmed samman två nivåer av genreglering: sekvenskoden i DNA:s bokstäver och det epigenetiska tillståndet som påverkar hur bokstäverna läses.

Därför kan kartan bli viktig för sjukdomsforskning

Det utökade motivbiblioteket kan förbättra analysen av genetiska varianter i icke-kodande DNA – förändringar som inte ligger i områden som direkt kodar för proteiner, men som ändå kan påverka genregleringen. En variant kan förstöra ett befintligt transkriptionsfaktormotiv eller skapa ett nytt. Metyleringen kan sedan avgöra om den förändrade platsen faktiskt känns igen i en viss celltyp.

Resursen kan därför bli användbar i studier av regleringsförändringar kopplade till utveckling, åldrande och cancer. Den omedelbara betydelsen är dock främst som en grundläggande forskningsreferens, inte som ett kliniskt diagnostiktest. Bindningsmodellerna ger forskare en bättre utgångspunkt för experiment och tolkning, men de biologiska effekterna beror fortfarande på cellens sammanhang och måste bekräftas i relevanta system.

En mer realistisk bild av genreglering

Codebook-projektet är resultatet av ett stort samarbete mellan mer än två dussin institutioner i Nordamerika, Europa och Ryssland. Värdet ligger inte bara i antalet analyserade faktorer, utan också i kombinationen av kompletterande experiment, beräkningsanalys och validering i celler.

Tillsammans visar studierna varför genreglering behöver beskrivas mer nyanserat. Mänskliga celler läser inte DNA med hjälp av en fast ordlista där varje motiv alltid har samma betydelse. De tolkar sekvensen tillsammans med kemiska modifieringar, vilka transkriptionsfaktorer som finns tillgängliga och den omgivande cellmiljön.

Codebook börjar katalogisera DNA-sekvensernas ”ordförråd”. meSMiLE-seq visar samtidigt att metylering kan förändra hur det ord­förrådet läses.