Naukowcy z New York University stworzyli sztuczne geny Hox – które planują i kierują miejscem, w którym komórki trafiają do rozwoju tkanek lub narządów – przy użyciu nowej technologii syntetycznego DNA i inżynierii genomicznej w komórkach macierzystych.
Ich odkrycia, opublikowane w Science, potwierdzają, w jaki sposób skupiska genów Hox pomagają komórkom uczyć się i zapamiętywać, gdzie się znajdują w ciele.
Geny Hoxa jako architekci ciała
Prawie wszystkie zwierzęta – od ludzi przez ptaki po ryby – mają przednio-tylną oś lub linię biegnącą od głowy do ogona. Podczas rozwoju geny Hox działają jak architekci, określając plan, w którym komórki podążają wzdłuż osi, a także jakie części ciała tworzą. Geny Hox zapewniają, że narządy i tkanki rozwijają się we właściwym miejscu, tworząc klatkę piersiową lub umieszczając skrzydła we właściwych pozycjach anatomicznych.
Jeśli geny Hox zawiodą z powodu nieprawidłowej regulacji lub mutacji, komórki mogą zostać utracone, odgrywając rolę w niektórych nowotworach, wadach wrodzonych i poronieniach.
„Nie sądzę, abyśmy mogli zrozumieć rozwój lub chorobę bez zrozumienia genów Hox” – powiedział Esteban Mazzoni, profesor biologii na NYU i współautor badania.
Pomimo ich znaczenia w rozwoju, badanie genów Hox jest trudne. Są ściśle zorganizowane w klastry, z genami Hox tylko w kawałku DNA, w którym są znalezione, a żadne inne geny ich nie otaczają (co naukowcy nazywają „pustynią genów”). I chociaż wiele części genomu ma powtarzające się elementy, klastry Hox nie mają takich powtórzeń. Czynniki te czynią je wyjątkowymi, ale trudnymi do zbadania za pomocą konwencjonalnej edycji genów bez wpływu na sąsiednie geny Hox.
Zaczynamy od nowa z syntetycznym DNA
Czy naukowcy mogą stworzyć sztuczne geny Hox, aby lepiej je badać, zamiast polegać na edycji genów?
„Jesteśmy bardzo dobrzy w odczytywaniu genomu lub sekwencjonowaniu DNA. A dzięki CRISPR możemy wprowadzać niewielkie poprawki w genomie. Ale wciąż nie jesteśmy dobrzy w pisaniu od zera” – wyjaśnił Mazzoni. „Pisanie lub budowanie nowych fragmentów genomu może nam pomóc w testowaniu wystarczalności – w tym przypadku dowiedz się, jaka najmniejsza jednostka genomu jest niezbędna, aby komórka wiedziała, gdzie się znajduje w ciele”.
Mazzoni połączył siły z Jefem Boeke, dyrektorem Institute of System Genetics w NYU Grossman School of Medicine, który znany jest z pracy nad syntezą syntetycznego genomu drożdży. Laboratorium Boeke’a szukało możliwości przetłumaczenia tej technologii na komórki ssaków.
Absolwent Sudarshan Pinglay w laboratorium Boeke’a wytworzył długie nici syntetycznego DNA, kopiując DNA z genów Hox szczurów. Następnie naukowcy dostarczyli DNA do precyzyjnej lokalizacji w pluripotencjalnych komórkach macierzystych myszy. Wykorzystanie różnych gatunków umożliwiło naukowcom odróżnienie syntetycznego szczurzego DNA od naturalnych komórek myszy.
„Dr Richard Feynman wypowiedział słynne słowa: »Czego nie mogę stworzyć, tego nie rozumiem«. Jesteśmy teraz o krok bliżej zrozumienia Hoxa” – powiedział Boeke, który jest również profesorem biochemii i farmakologii molekularnej na NYU Grossman i współautorem badania.
Badanie klastrów Hox
Dzięki sztucznemu DNA Hox w mysich komórkach macierzystych naukowcy mogą teraz zbadać, w jaki sposób geny Hox pomagają komórkom uczyć się i zapamiętywać, gdzie się znajdują. U ssaków skupiska Hox są otoczone regionami regulacyjnymi, które kontrolują sposób aktywacji genów Hox. Nie wiadomo, czy sam klaster, czy też klaster z innymi elementami był potrzebny komórkom do uczenia się i pamiętania, gdzie się znajdują.
Naukowcy odkryli, że same te gęste skupiska genów zawierają wszystkie informacje potrzebne komórkom do odkodowania sygnału pozycyjnego i zapamiętania go. Sugeruje to, że zwarta natura skupisk Hox pomaga komórkom poznać ich lokalizację, potwierdzając od dawna hipotezę dotyczącą genów Hox, która wcześniej była trudna do przetestowania.
Stworzenie syntetycznego DNA i sztucznych genów Hox toruje drogę przyszłym badaniom nad rozwojem zwierząt i chorobami człowieka.
„Różne gatunki mają różne struktury i kształty, z których wiele zależy od tego, jak wyrażają się gromady Hox. Na przykład wąż to długa klatka piersiowa bez kończyn, podczas gdy łyżwa nie ma klatki piersiowej i jest tylko kończynami. Lepsze zrozumienie Hoxa klastry mogą pomóc nam zrozumieć, w jaki sposób te systemy są dostosowywane i modyfikowane, aby tworzyć różne zwierzęta” – powiedział Mazzoni.
„Szerej, ta technologia syntetycznego DNA, dla której zbudowaliśmy swego rodzaju fabrykę, będzie przydatna do badania chorób, które są genomicznie skomplikowane, a teraz mamy metodę tworzenia dla nich znacznie dokładniejszych modeli” – powiedział Boeke.
Praca ta była częściowo wspierana przez National Institutes of Health (granty RM1HG009491, R01AG075272, R01NS100897, R01GM127538 i F32CA239394), New York State Stem Cell Science (C322560GG) i Melanoma Research Foundation (687306).