Ученые использовали CRISPR для создания карты функций всех генов человека
Международная группа исследователей, включая специалистов из Института Уайтхеда, представила первую всеобъемлющую функциональную карту генов, экспрессируемых в человеческих клетках. Работа, опубликованная 9 июня в журнале Cell, стала результатом многолетнего развития метода Perturb-seq и позволяет связать каждый ген с его функцией в клетке.
Данные общедоступны и представляют собой ресурс для исследований. "Вы можете проводить исследования, основанные на открытиях, без необходимости ставить эксперименты, просто изучая эту карту взаимосвязей генотип-фенотип", — пояснил Джонатан Вайсман, соавтор работы.
Метод Perturb-seq
В основе проекта лежит метод Perturb-seq, который сочетает редактирование генома CRISPR/Cas9 для внесения изменений в гены с последующим секвенированием РНК отдельных клеток (single-cell RNA sequencing). Это позволяет отследить, как генетические изменения влияют на экспрессию РНК и, следовательно, на поведение клетки.
Ранее метод был дорогим и применялся к небольшим наборам генов. В 2020 году ученые опубликовали в Nature Biotechnology доказательство концепции масштабируемой версии. В новом исследовании метод был применен ко всему геному: проанализировано более 2.5 миллионов клеток линий рака крови и клеток сетчатки, что позволило построить комплексную карту.
Анализ данных
Используя полученный массив данных, ученые исследовали несколько биологических вопросов:
Гены с неизвестной функцией. Сравнивая фенотипы неизвестных и известных генов, можно предположить их совместную работу. Например, ген C7orf26 был идентифицирован как 15-я субъединица белкового комплекса Integrator, участвующего в синтезе малых ядерных РНК. Также выяснилось, что субъединицы комплекса работают в отдельных модулях с разными функциями.
Сложные фенотипы на уровне одной клетки. Метод позволил изучать явления, которые "зашумляются" при усреднении данных по многим клеткам. Так был обнаружен набор генов, необходимых для правильного расхождения хромосом. Их удаление вызывало анеуплоидию — потерю или добавление хромосомы. "Это фенотип, который можно изучить, только используя данные по отдельным клеткам", — отметил Том Норман.
Ответ митохондрий на стресс. Ученые изучили около 1000 ядерных генов, связанных с функцией митохондрий, которые имеют собственный геном из 13 генов. Оказалось, что ядерный геном реагировал на различные нарушения сходным образом, в то время как ответ митохондриального генома был гораздо более вариабельным. Это указывает на возможное преимущество наличия отдельного генома митохондрий — возможность локальной и специфической регуляции в ответ на разные стрессоры.
В будущем исследователи планируют применить Perturb-seq к другим типам клеток и продолжать изучение созданной карты генетических функций.