DANDELION descoperă genele neglijate asociate cu astmul
Unul dintre cele mai importante obiective ale studiului genetic este identificarea genelor implicate în boli.
Problema este că majoritatea bolilor nu sunt cauzate de un singur gen sau de o singură mutație. Acestea sunt rezultatul interacțiunilor complexe dintre zeci, dacă nu sute sau mii, de gene, plus factori de mediu, stil de viață și o mulțime de alte variabile. Această avalanșă de gene creează o problemă asemănătoare căutării acului într-un fânar.
O viziune tot mai răspândită în rândul geneticilor susține că aproape fiecare gen activ în țesutul relevant joacă un rol în apariția unei boli, dar majoritatea acționează doar indirect și de la distanță, influențând un set mult mai mic de „gene centrale” care stau la baza bolii. Aceste gene centrale sunt cele care conduc direct biologia și, prin urmare, sunt cele mai valoroase pentru a fi țintite cu medicamente. Până acum, însă, oamenii de știință nu au avut o modalitate fiabilă de a le identifica și de a le testa experimental.
Un grup interdisciplinar de cercetători de la UChicago și Universitatea Columbia a dezvoltat un nou instrument computațional care ar putea facilita semnificativ provocarea identificării genelor legate direct de boli. Într-o lucrare publicată în revista Cell, aceștia au demonstrat cum acest instrument a reușit să identifice 21 de gene asociate cu astmul, dintre care majoritatea nu au fost descoperite prin alte metode. Cercetătorii au utilizat, de asemenea, teste CRISPR de editare genetică și modele de șoareci pentru a valida că aceste gene conduc la fenotipuri de astm și au demonstrat că două dintre gene sunt în aceeași cale implicată în metabolismul acizilor grași și palmitoilarea proteinelor, care nu a fost studiată până acum în legătură cu astmul.
Noul instrument, denumit DANDELION, se concentrează pe un proces cunoscut sub numele de reglare transgenică. În bolile complexe precum astmul, numeroase variante genetice pot contribui la boală prin modificarea expresiei altor gene. Acest lucru generează un efect în cascadă în care o variantă modifică expresia unei gene aflate în apropiere și apoi acea genă modifică expresia unei alte gene, și așa mai departe. Aceasta creează ceea ce se numește o rețea de reglare genetică care, în cele din urmă, conduce la dezvoltarea bolii.
Abordările existente, cum ar fi studiile de asociere la nivelul întregului genom (GWAS), se concentrează în schimb pe gene care se află adesea în periferia rețelei de reglare genetică și care afectează boala doar indirect.
„Toate aceste instrumente existente presupun că genele implicate în boală se află întotdeauna foarte aproape de variantele genetice asociate, dar atunci când cauți indicii în jurul acelei variante, nu găsești întotdeauna multe”, a declarat coautorul principal Xuanyao Liu.
„Ce este unic la metoda noastră este că credem că genele implicate în boală nu sunt doar lângă variantele genetice. Ele sunt încorporate în această rețea de reglare genetică, iar gena care determină efectul bolii se află în aval față de acele variante asociate, poate pe cromozomi diferiți. Așadar, ele sunt la capătul recepției unui efect genetic care este foarte departe”, a adăugat Liu.
Liu a numit instrumentul DANDELION în referire la florile de păpădie, care, odată ajunse la semințe, formează o rețea interconectată de gene, indicând în cele din urmă centrul genelor centrale ale bolii (numite gene proximale ale bolii, sau DPG-uri).
Liu a analizat un set mare de date din transcriptomul uman și din UK Biobank, un depozit de date de sănătate și genetice de la peste 500.000 de voluntari. Folosind DANDELION, a căutat DPG-uri pentru astm și a găsit 21 de candidați, dintre care 19 nu fuseseră descoperiți anterior cu ajutorul unor instrumente precum GWAS. Ea a prezentat datele lui Marcelo Nóbrega, care a dezvoltat platforme experimentale pentru a manipula expresia genelor în tipuri de celule umane relevante pentru astm, cum ar fi celulele epiteliale din căptușeala căilor respiratorii, celulele inflamatorii și celulele T imune.
Inițial, el a fost sceptic. „Xuanyao mi-a arătat o listă de gene și nu recunoșteam aproape niciuna dintre ele. M-am gândit că fie va fi ceva cu adevărat revoluționar și inovator, fie va fi greșit. Dar aveam sistemul de validare experimental în funcțiune, așa că m-am gândit: „Să le testăm pe toate””, a spus el.
Echipa lui Nóbrega, condusă de cercetătoarea postdoctorală Isabella Salamone, a desfășurat o serie de experimente pentru a testa efectele genelor prezise de DANDELION. Spre surpriza lor, majoritatea genelor identificate de Liu au avut un impact direct și măsurabil asupra funcției tipurilor de celule legate de astm, producând fenotipuri care modelează cele observate în astm într-un ritm mult mai mare decât genele distale sau orice alte gene din genom pe care le-au testat.
Când Salamone a analizat mai îndeaproape, a observat că două gene aveau efecte opuse. Eliminarea unei gene numite SLC27A3 a protejat împotriva efectelor astmului atât în celulele epiteliale, cât și în celulele T, în timp ce eliminarea celeilalte gene, SCD, a contribuit la boală. Examinând efectele mutațiilor acestor gene într-un cohort uman mare de aproape jumătate de milion de oameni, au descoperit că mutațiile în SLC27A3 protejează împotriva astmului, susținând descoperirile lor în ecranele de fenotipare celulară.
„Am observat acest model cu adevărat remarcabil. Eliminarea SLC27A3 a avut cel mai puternic efect protector dintre toate genele pe care le-am testat, iar eliminarea SCD a fost foarte dăunătoare pentru orice funcție celulară pe care am evaluat-o”, a spus Salamone. „Când am analizat datele pacienților colectate de alte laboratoare, am observat același model repetat – expresia SLC27A3 este crescută în celulele pulmonare ale pacienților cu astm sever, iar expresia SCD este scăzută.”
Interesant este că atât SLC27A3, cât și SCD sunt implicate în aceeași cale biochimică pentru metabolismul acizilor grași. Pentru a înțelege cum ar putea fi legat de astm, s-au îndreptat spre chimistul biolog Hening Lin, care este un expert de renume mondial în acest proces, în special în rolul său în palmitoilare, adică adăugarea unui grup acil de acizi grași lungi la proteine care reglează activitatea proteinelor. Lin i-a ajutat să confirme că ambele gene sunt implicate în palmitoilare și că reducerea palmitoilării prin eliminarea SLC27A3 determină celulele epiteliale pulmonare să atenueze mai multe procese imune și inflamatorii.
„Laboratorul meu a studiat rolul palmitoilării proteinelor în semnalizarea imună. Știm că multe căi de semnalizare imună sunt reglate de palmitoilare, dar sunt încă uimit de descoperirea că perturbarea unei proteine metabolice lipidice, SLC27A3, ar putea oferi protecție în modelele de astm, cel puțin parțial prin afectarea palmitoilării proteinelor”, a declarat Lin.
În cele din urmă, pentru a testa
