筛选黑暗基因组疾病基因

研究人员已经开发出一种方法来迅速屏幕人类基因组的非编码DNA与疾病是由基因调控的变化。技术可以彻底改变现代医学的理解基因遗传的风险患心脏病,糖尿病,癌症,神经障碍等,导致新的治疗方法。

这项研究发表在4月3日出版的《自然·生物技术》上2017年。

“识别单一突变导致罕见,毁灭性的疾病,如肌肉萎缩症已成为相对简单,”查尔斯·Gersbach说鲁尼家族杜克大学生物医学工程的副教授。”,但更常见的疾病,在家族中通常涉及许多基因以及基因对环境因素的反应。这是一个更加复杂的故事,我们一直想要一个更好的方法来理解它。现在我们已经找到了一种方法。”

这项新技术依赖于gene-hacking系统称为CRISPR / Cas9。最初发现的天然抗病毒防御机制在细菌中,系统识别和家庭的遗传密码之前的入侵者,然后排自己的DNA。在过去的几年中,研究人员利用这种生物系统精确剪切和粘贴在生物体的DNA序列。

在当前的研究中,研究人员增加了分子机器可以通过操纵控制基因活性的生物分子网络,确定哪些基因每个细胞激活和到什么程度。

用新的工具,Gersbach和他的同事们正在探索我们98%的遗传代码通常被称为“暗物质的基因组。”

“只有一小部分我们的基因组编码指令来制造蛋白质指导细胞活动,”泰勒克兰说,生物医学工程研究生领导Gersbach的实验室的工作。“但超过90%的人口的遗传变异与常见的疾病不在相关联的基因。我们着手开发一种技术映射的这部分基因组和理解它是什么做的。”

克兰说,答案在于启动子和增强子。发起人直接坐旁边的基因控制。然而,增强剂,调节促进剂,在任何地方都可以由于基因组的复杂的3 d几何,很难辨别他们正在做的事情。

“如果拨号增强启动子向上或向下10 - 20%,可能有逻辑地解释一个小对心血管疾病基因的贡献,例如,“Gersbach说。“CRISPR-based系统,我们可以更强烈地打开和关闭这些增强子看到到底有什么影响他们对细胞。通过开发治疗更为戏剧性的影响这些目标正确的方向,我们可以有一个显著的影响相应的疾病。”

一切都很好的为探索区域的基因组,研究人员已经确定了与疾病有关,但也有潜在的数以百万计的网站在基因组与未知函数。潜水下黑暗的基因组兔子洞,Gersbach转向同事格雷格•克劳福德儿科副教授,医学遗传学助理教授和蒂姆Reddy的生物信息学和生物统计学。所有三位教授一起工作在公爵基因组中心和计算生物学。

克劳福德发达的一种方式确定开业的DNA片段。也就是说,哪些部分不紧密,提供访问与biomachinery如RNA和蛋白质的相互作用。这些网站,研究人员原因,最有可能导致细胞的活动。Reddy发展计算工具来解释这些大型基因组数据集。

在过去的十年中,克劳福德已经扫描了数以百计的类型的细胞和组织受到各种疾病和药物和想出一个超过200万个潜在的重要的站点列表在黑暗中genome-clearly太多调查一次。在新的研究中,克劳福德Reddy和Gersbach展示大规模筛选方法来调查这些潜在的重要的基因序列。虽然这些初步研究筛选这些网站的数以亿计的碱基对的基因组,研究人员正在致力于这个100 - 1000倍。

“小分子可以目标蛋白质和RNA RNA干扰目标,但我们需要一些东西去调节基因组的非编码部分,”克劳福德说。“直到现在,我们没有。”

该方法首先提供数以百万计的CRISPR系统加载到病毒,针对不同基因感兴趣的点,数以百万计的细胞在一个菜。确保每个单元接收后只有一个病毒,团队屏幕为基因表达和细胞功能的变化。

例如,有人研究糖尿病与胰腺癌细胞可以这样做,观察胰岛素分泌的变化。这些细胞显示有趣的变化然后孤立和测序以确定这段DNA CRISPR影响,揭示新的遗传拼图的糖尿病。

这项技术已经取得成果,识别先前已知的基因监管,同时也发现一些新的元素。结果还显示它可以用来打开或关闭基因要么,这是优于其他工具为研究生物只有关闭基因。不同的细胞也产生了——但部分overlapping-results,突显出生物基因调控和疾病的复杂性,可以用这种技术审问。

“现在我们有了这个工具,我们可以在注释这些未知的但重要的功能延伸我们的基因组,“Gersbach说。”所以很多地方,做到快速、强劲的能力,毫无疑问地,我们将发现新领域重要的疾病,这将为开发治疗提供新的途径。”