{{{sourceTextContent.title}}}

I ricercatori vanno oltre il sequenziamento e creano un genoma 3D

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Come i pirati in una caccia al tesoro, gli scienziati del St. Jude Children's Research Hospital hanno creato la prima mappa 3D di un genoma di mouse e l'hanno usata per scoprire l'oro scientifico. L'oro include l'intuizione dall'apprendimento automatico all'organizzazione genomica e alla funzione durante lo sviluppo. La ricerca è apparsa il 4 settembre sulla rivista Neuron.

{{{sourceTextContent.description}}}

"Comprendere il modo in cui le cellule organizzano i loro genomi durante lo sviluppo ci aiuterà a capire la loro capacità di rispondere a stress, lesioni e malattie", ha detto Michael Dyer, PhD, presidente del dipartimento di neurobiologia dello sviluppo di St. Jude e Howard Hughes Medical Institute investigator. Lui e Xiang Chen, PhD, membro assistente del Dipartimento di Biologia Computazionale di St. Jude, sono gli autori corrispondenti.

La ricerca si è concentrata sulle cellule dell'asta di rilevamento della luce nella retina del topo. Più di 8.000 geni vengono attivati o disattivati durante lo sviluppo della retina. Anche migliaia di regioni di regolamentazione in tutto il genoma svolgono un ruolo importante. I ricercatori hanno utilizzato la tecnologia chiamata ultra-profonda cattura conformazione cromosomica ultra-profonda o Hi-C analisi per mappare tali interazioni nelle cellule dell'asta del mouse.

In precedenza, la genomica 3D si è concentrata principalmente sulla comprensione della regolazione di geni specifici e ha lavorato con le cellule che crescono in laboratorio.

Utilizzando l'analisi integrata di dati provenienti da una varietà di fonti e di apprendimento automatico, gli investigatori hanno mostrato che l'organizzazione genomica è cambiata in modo sorprendente nelle diverse fasi di sviluppo. "Questi cambiamenti non sono casuali, ma fanno parte del programma di sviluppo delle cellule", ha detto Dyer.

Dyer e i suoi colleghi hanno usato lo stesso approccio per creare una mappa genomica 3D del cervelletto del topo, una struttura cerebrale dove il medulloblastoma può svilupparsi. Il medulloblastoma è il più comune tumore cerebrale pediatrico maligno.

Imballaggio

Il genoma umano è codificato nei 3 miliardi di basi chimiche del DNA umano. Dal momento che il primo genoma umano è stato completamente sequenziato nel 2003, i ricercatori hanno utilizzato la tecnologia per identificare e studiare le alterazioni genomiche ereditarie o acquisite che portano al cancro e ad altre malattie.

Allungato per tutta la sua lunghezza, il DNA di una singola cellula umana misura circa 6 piedi di lunghezza. Per funzionare, il DNA è confezionato in un fascio microscopico che si inserisce nel nucleo delle cellule. I cicli di DNA che ne risultano possono riunire regioni altrimenti distanti del genoma. I dettagli chiave, tra cui una mappa 3D dei loop e le interazioni che hanno favorito, erano in gran parte un mistero.

Genoma 3D

Lo studio attuale ha catturato interazioni a lunga distanza tra promotori (regioni del DNA che promuovono l'espressione genica) e potenziatori (regioni che aumentano l'espressione genica) in diversi stadi dello sviluppo della retina. I ricercatori hanno anche seguito i cambiamenti nell'organizzazione del genoma durante lo sviluppo. Ciò includeva il primo utilizzo di macchine per imparare a valutare quanto siano facilmente accessibili i geni per la trascrizione. Chen ha guidato lo sforzo di apprendimento automatico.

Ulteriori punti di forza

La ricerca ha anche incluso il primo rapporto di un potente regolatore dell'espressione genica, un super potenziatore, che ha lavorato in una specifica cellula in uno specifico stadio di sviluppo. La scoperta è importante perché i super potenziatori possono essere dirottati nei tumori dello sviluppo del cervello e di altri organi.

In questo studio, gli scienziati hanno stabilito che quando un super-enhancer del circuito di regolazione del nucleo per il gene Vsx2 è stato eliminato, un'intera classe di neuroni (neuroni bipolari) è stata eliminata. Non sono stati individuati altri difetti. La cancellazione del gene Vsx2 causa molti più difetti nello sviluppo della retina, per cui il super-enhancer è altamente specifico per i neuroni bipolari.

I ricercatori hanno sviluppato un modello di topo genetico del difetto che gli scienziati stanno usando per studiare i circuiti neurali nella retina.

I dati di studio e un video didattico sono a disposizione dei ricercatori di tutto il mondo attraverso St. Jude Cloud, una risorsa di condivisione dati online basata sul cloud.