חוקרים ב-MIT פיתחו טכניקה למיפוי האינטראקציות בין גנים ומשפרים בתאים, תוך מתן תובנות לגבי ויסות גנטי. על ידי התבוננות בתזמון של משפר והפעלת גנים, שיטה זו מסייעת בזיהוי מטרות תרופות פוטנציאליות להפרעות גנטיות.
על ידי לכידה קצרת מועד RNA מולקולות, מדענים יכולים למפות קשרים בין גנים והאלמנטים הרגולטוריים השולטים בהם.
MIT חוקרים חידשו שיטה לבחון את האינטראקציה בין גנים ומשפרים על ידי ניטור זמני ההפעלה שלהם, ועוזרת באיתור יעדי תרופה להפרעות גנטיות. טכניקה זו גם משפרת את ההבנה של תפקוד eRNA בוויסות גנים וטיפול במחלות.
ביטוי גנים ומיפוי משפר
למרות שהגנום האנושי מכיל כ-23,000 גנים, רק חלק קטן מאותם גנים מופעלים בתוך תא בכל זמן נתון. הרשת המורכבת של אלמנטים מווסתים השולטת בביטוי הגנים כוללת אזורים בגנום הנקראים משפרים, אשר לרוב ממוקמים רחוק מהגנים שהם מווסתים.
מרחק זה יכול להקשות על מיפוי האינטראקציות המורכבות בין גנים ומשפרים. כדי להתגבר על כך, חוקרי MIT המציאו טכניקה חדשה המאפשרת להם לצפות בתזמון של הפעלת הגנים והמשפרים בתא. כאשר גן מופעל בערך באותו זמן כמו משפר מסוים, זה מרמז מאוד שהמשפר שולט בגן הזה.
משפרים וחיבור למחלות
מידע נוסף על אילו משפרים שולטים באילו גנים, בסוגים שונים של תאים, יכול לעזור לחוקרים לזהות מטרות תרופות פוטנציאליות להפרעות גנטיות. מחקרים גנומיים זיהו מוטציות באזורים רבים שאינם מקודדים לחלבונים הקשורים למגוון מחלות. האם אלה יכולים להיות משפרים לא ידועים?
"כשאנשים מתחילים להשתמש בטכנולוגיה גנטית כדי לזהות אזורים של כרומוזומים שיש להם מידע על מחלות, רוב האתרים האלה אינם תואמים לגנים. אנו חושדים שהם מתאימים למשפרים האלה, שיכולים להיות די רחוקים ממקדם, ולכן חשוב מאוד להיות מסוגל לזהות את המשפרים האלה", אומר פיליפ שארפ, פרופסור אמריטוס במכון MIT וחבר במכון קוך לחקר סרטן אינטגרטיבי של MIT.
שארפ היא המחברת הבכירה של המחקר החדש, שפורסם לאחרונה בכתב העת המדעי טֶבַע. עוזר המחקר של MIT DB Jay Mahat הוא המחבר הראשי של המאמר.
eRNA ומיפוי אלמנטים רגולטוריים
פחות מ-2 אחוזים מהגנום האנושי מורכב מגנים מקודדי חלבון. שאר הגנום כולל אלמנטים רבים השולטים מתי ואיך גנים אלה באים לידי ביטוי. משפרים, שנחשבים כמפעילים גנים על ידי מגע פיזי עם אזורי מקדם גנים באמצעות יצירת קומפלקס, התגלו לפני כ-45 שנה.
לאחרונה, בשנת 2010, חוקרים גילו כי המשפרים הללו מועתקים למולקולות RNA, הידועות כ-Enhancer RNA או eRNA. מדענים חושדים כי שעתוק זה מתרחש כאשר המשפרים מקיימים אינטראקציה פעילה עם גני המטרה שלהם. זה העלה את האפשרות שמדידת רמות שעתוק eRNA יכולה לעזור לחוקרים לקבוע מתי משפר פעיל, כמו גם לאילו גנים הוא מכוון.
"המידע הזה חשוב בצורה יוצאת דופן בהבנת האופן שבו מתרחשת התפתחות, ובהבנה כיצד סרטן משנים את תוכניות הרגולציה שלהם ומפעילים תהליכים שמובילים לדה-דיפרנציאציה ולצמיחה גרורתית", אומר מהט.
עם זאת, מיפוי מסוג זה הוכח כקשה לביצוע מכיוון ש-eRNA מיוצר בכמויות קטנות מאוד ואינו מחזיק מעמד זמן רב בתא. בנוסף, ל-eRNA חסר שינוי המכונה זנב פולי-A, שהוא ה"קרס" שרוב הטכניקות משתמשות בו כדי למשוך RNA מהתא.
התקדמות בניתוח תא בודד
אחת הדרכים ללכוד eRNA היא הוספת נוקלאוטיד לתאים שעוצר את השעתוק כאשר הוא משולב ב-RNA. נוקלאוטידים אלה מכילים גם תג הנקרא ביוטין שניתן להשתמש בו כדי לדוג את ה-RNA מחוץ לתא. עם זאת, הטכניקה הנוכחית הזו פועלת רק על מאגר גדול של תאים ואינה נותנת מידע על תאים בודדים.
בזמן סיעור מוחות לדרכים חדשות ללכידת eRNA, מהאט ושארפ שקלו להשתמש בכימיה של קליקים, טכניקה שניתן להשתמש בה כדי לחבר שתי מולקולות יחד אם כל אחת מהן מתויגת ב"ידיות קליקים" שיכולות להגיב יחד.
החוקרים תכננו נוקלאוטידים המסומנים בידית לחיצה אחת, וברגע שהנוקלאוטידים הללו משולבים בגדילי eRNA הגדלים, ניתן לדוג את הגדילים עם תג המכיל את הידית המשלימה. זה אפשר לחוקרים ללכוד eRNA ולאחר מכן לטהר, להגביר ולרצף אותו. חלק מה-RNA הולך לאיבוד בכל שלב, אבל מהאט מעריך שהם יכולים להוציא בהצלחה כ-10% מה-eRNA מתא נתון.
באמצעות טכניקה זו, החוקרים השיגו תמונת מצב של המשפרים והגנים המתעתקים באופן פעיל בזמן נתון בתא.
"אתה רוצה להיות מסוגל לקבוע, בכל תא, את ההפעלה של שעתוק מאלמנטים מווסתים ומהגן המקביל להם. וזה צריך להיעשות בתא בודד, כי זה המקום שבו אתה יכול לזהות סנכרון או אסינכרון בין אלמנטים רגולטוריים וגנים", אומר מהט.
סנכרון גנים ומשפר
החוקרים הדגימו את הטכניקה שלהם בתאי גזע עובריים של עכברים, החוקרים מצאו שהם יכולים לחשב בערך מתי אזור מסוים מתחיל להיות שעתוק, בהתבסס על אורך גדיל ה-RNA ומהירות הפולימראז (האנזים האחראי על התעתוק) – כלומר , כמה רחוק מתמלל הפולימראז בשנייה. זה איפשר להם לקבוע אילו גנים ומשפרים הועתקו בערך באותו זמן.
החוקרים השתמשו בגישה זו כדי לקבוע את תזמון הביטוי של גנים במחזור התא ביתר פירוט ממה שהיה אפשרי בעבר. הם גם הצליחו לאשר מספר קבוצות של זוגות ידועים של משפרי גנים ויצרו רשימה של כ-50,000 זוגות אפשריים של משפרים-גנים שהם יכולים כעת לנסות לאמת.
השלכות על טיפול במחלות גנטיות
למידה אילו משפרים שולטים אילו גנים יתגלו כבעלי ערך בפיתוח טיפולים חדשים למחלות עם בסיס גנטי. בשנה שעברה אישר מינהל המזון והתרופות האמריקני את הטיפול הראשון בריפוי גנטי לאנמיה חרמשית, הפועל על ידי הפרעה לגורם משפר שמביא להפעלת גן גלובין עוברי, ומפחית את ייצור תאי הדם החרמתיים.
צוות MIT מיישם כעת גישה זו לסוגים אחרים של תאים, תוך התמקדות במחלות אוטואימוניות. בעבודה עם חוקרים מבית החולים לילדים בבוסטון, הם בוחנים מוטציות בתאי מערכת החיסון שנקשרו לזאבת, שרבות מהן נמצאות באזורים שאינם מקודדים בגנום.
"לא ברור אילו גנים מושפעים מהמוטציות האלה, אז אנחנו מתחילים להפריד את הגנים המשפרים המשוערים האלה עשויים לווסת, ובאילו סוגי תאים המשפרים האלה פעילים", אומר מהט. "זהו כלי ליצירת מפות גנים לשיפור, שהן בסיסיות בהבנת הביולוגיה, וגם בסיס להבנת מחלות."
התיאוריה של בקרת שעתוק גנים
הממצאים של מחקר זה מציעים גם ראיות לתיאוריה ששארפ פיתחה לאחרונה, יחד עם הפרופסורים ב-MIT, ריצ'רד יאנג וארופ צ'קרבורטי, לפיה שעתוק גנים נשלט על ידי טיפות חסרות קרום הידועות כקונדנסטים. קונדנסטים אלה עשויים מאשכולות גדולים של אנזימים ו-RNA, אשר שארפ מציע עשוי לכלול eRNA המיוצר באתרי משפרים.
"אנו מדמיינים שהתקשורת בין משפר למקדם היא מסוג מעובה, מבנה חולף, ו-RNA הוא חלק מזה. זוהי יצירה חשובה בבניית ההבנה כיצד RNAs ממשפרים יכולים להיות פעילים", הוא אומר.
המחקר מומן על ידי המכון הלאומי לסרטן, ה המכונים הלאומיים לבריאותופרס Emerald Foundation Post-Doctoral Transition Award.
