Itä-Suomen yliopiston, Aalto-yliopiston ja Oulun yliopiston tutkijat ovat kehittäneet uuden laskennallisen menetelmän toistuvien DNA-jaksojen tutkimiseen. KMAPiksi nimetty menetelmä mahdollistaa lyhyiden DNA-jaksojen intuitiivisen visualisoinnin ja auttaa ymmärtämään, miten geenien säätelyelementit käyttäytyvät erilaisissa biologisissa olosuhteissa. Tutkimus on julkaistu hiljattain arvostetussa Genome Research -ä.
Kuva 1: KMAP-visualisointi transkriptiotekijä MAFK:n SELEX-sekvensointidatasta. Kukin piste kuvaa yhtä k-meeriä. Keskelle muodostuvat ryppäät vastaavat DNA-motiiveja, kun taas ulkokehän pisteet edustavat satunnaisia k-meerejä. Kukin keskellä oleva rypäs edustaa erillistä motiivia, ja punaiset pisteet korostavat päämotiivin k-meerejä.
KMAP esittää lyhyet DNA-jaksot eli niin sanotut k-meerit kaksiulotteisessa visuaalisessa muodossa, mikä helpottaa DNA-motiivien tunnistamista ja tulkintaa (Kuva 1). DNA-motiivit ovat DNA:ssa toistuvia jaksoja, joilla on jokin biologinen merkitys. Tutkimuksessa KMAPia käytettiin geeniensäätelyyn osallistuvien genomialueiden analysointiin harvinaiseen syöpätyyppiin, Ewingin sarkoomaan, liittyvästä aineistosta. Tutkijat havaitsivat, että tämän syövän etenemistä edistävä ETV6-onkogeeni esti BACH1-, OTX2- ja KCNH2/ERG1-transkripitotekijöiden toimintaa. ETV6:n hajotuksen jälkeen ne taas aktivoituivat (Kuva 2).
Lisäksi tutkimuksessa tunnistettiin uusi DNA-motiivi, CCCAGGCTGGAGTGC, joka usein sijaitsi samoilla tehostajajaksoilla BACH1:n ja OTX2:n motiivien kanssa. Kyseessä voi olla ennen tuntematon, syöpäbiologisesti merkittävä säätelyelementti.
Kuva 2: Kaavakuva tehostajajakson säätelystä Ewingin sarkoomassa verrattuna terveeseen tilaan. Ewingin sarkoomassa (ylhäällä) transkription estäjä ETV6 kilpailee transkriptiotekijä FLI1:n kanssa sitoutumispaikoista ja sulkee tehostajajaksoja, mikä edistää taudin etenemistä. ETV6:n hajotuksen jälkeen (alhaalla) tehostaja-alue avautuu FLI1:n läsnä ollessa, jolloin muut transkriptiotekijät—BACH1, OTX2, KCNH2/ERG1 ja mahdollinen tuntematon transkriptiotekijä—pääsevät sitoutumaan. Nämä tekijät esiintyvät usein yhdessä noin 70 emäsparin säteellä motiivista CCCAGGCTGGAGTGC ja voivat osallistua yhdessä geenien ilmentymisen säätelyyn.
KMAPia käytettiin tutkimuksessa myös geenimuokkauksen tulosten analysointiin. Tulokset olivat kokeesta, jossa ihmisen genomin AAVS1-lokusta oli muokattu laajalti käytetyllä CRISPR-Cas9-menetelmällä. Muokkauksen jälkeen solut korjaavat DNA:n katkeamat luonnollisesti eri tavoin. Visualisoimalla tuhansia DNA-jaksoja tästä prosessista KMAP paljasti neljä yleistä DNA:n korjausmallia, joista kukin liittyy solun käyttämään erilliseen korjausreittiin. Näiden mallien ymmärtäminen voi auttaa tutkijoita suunnittelemaan tarkempia geenimuokkausstrategioita ja ennustamaan todennäköisimpiä muutosmalleja.
– KMAP tarjoaa intuitiivisemman tavan tutkia DNA-motiiveja sekvensointidatasta, sanoo tutkimusta johtanut akatemiatutkija Lu Cheng Itä-Suomen yliopistosta. – Visualisoimalla lyhyiden DNA-jaksojen jakaumia voimme tulkita geenien säätelymalleja tarkemmin ja ymmärtää, miten ne muuttuvat erilaisissa biologisissa olosuhteissa.
– KMAP on monipuolinen työkalu, jota voidaan soveltaa monenlaiseen sekvensointidataan, sanoo professori Gonghong Wei Oulun yliopistosta. – Syöpätutkimuksessa se voi auttaa tunnistamaan säätelyelementtejä ChIP-seq-sekvensointiaineistosta, ja sillä on mahdollista tutkia myös RNA:han sitoutuvien proteiinien sitoutumismalleja. Sen kyky paljastaa rakenteita monimutkaisesta sekvensointidatasta tekee siitä laajasti hyödynnettävän molekyylibiologian tutkimuksessa.
۳ٱٲöhanke osoittaa, kuinka laskennallinen biologia voi paljastaa geenien säätelyn piileviä tasoja ja tukea tulevaa tutkimusta syövän ja geenimuokkauksen parissa.
Lue julkaisu:
Tutustu ohjelmistoon:
