Complexitatea interacțiunii exprimării genelor în celulele vii poate fi comparată cu o simfonie bine orchestrată, în care fiecare genă își joacă rolul în armonie pentru a asigura funcționarea corectă a celulelor. Factorii de transcripție (TFs), maeștri moleculari, sunt cei care reglementează exprimarea genelor prin legarea la secvențe specifice de ADN numite promotori.
Dezvăluirea secretelor acestor rețele de reglementare la scară genomică necesită o colecție comprehensivă de profiluri de exprimare a genelor. Cu toate acestea, măsurarea răspunsurilor de exprimare a genelor pentru fiecare pereche TF și promotor a fost o provocare formidabilă din cauza numărului mare de combinații potențiale, chiar și în organisme relativ simple, cum ar fi bacteriile.
Pentru a aborda această provocare, cercetătorii coordonați de Fuzhong Zhang, profesor de inginerie energetică, de mediu și chimică în Școala de Inginerie McKelvey de la Universitatea Washington din St. Louis, au dezvoltat o tehnică denumită secvențierea răspunsurilor promotorilor la perturbarea factorilor de transcripție (PPTP-seq).
PPTP-seq integrează tehnologia de editare a genelor CRISPR cu o bibliotecă combinatorială care conține fiecare TF cunoscut din genomul țintă și promotorii corespunzători. Această tehnică revoluționară permite oamenilor de știință să examineze reglementarea genelor de către sute de TF-uri care acționează asupra miilor de promotori într-un singur experiment, care durează aproximativ două săptămâni și furnizează date ușor de analizat.
Într-un studiu publicat online pe 16 septembrie în Nature Communications, Yichao Han, autorul principal care și-a obținut doctoratul în inginerie de mediu în 2023 în timp ce lucra în laboratorul lui Zhang, a utilizat PPTP-seq pentru a explora în mod sistematic activitatea a 1.372 de promotori E. coli când au fost supuși perturbării fiecărui dintre cei 183 de TF-uri.
Acest experiment unic a furnizat informații despre peste 200.000 de potențiale interacțiuni TF-promotor, oferind astfel o imagine cuprinzătoare a peisajului de reglementare al E. coli. Acesta a dezvăluit răspunsuri de reglementare noi și a pregătit terenul pentru viitoarele cercetări genetice.
Profesorul Zhang a subliniat: “Ca instrument de biologie sintetică, PPTP-seq permite studierea eficientă a reglementării genelor. Cea mai comună tehnică folosită pentru studierea reglementării genelor, RNA-seq, poate dezvălui aproximativ 4.000 de răspunsuri ale reglatorului-gene. PPTP-seq a crescut acest număr de 50 de ori, dezvăluind 200.000 de răspunsuri ale reglatorului-gene dintr-un singur experiment. Cu ajutorul acestei tehnologii puternice, am reușit să construim o rețea comprehensivă de reglementare pentru genomul E. coli.”
În plus față de furnizarea unei cantități mai mari de date, PPTP-seq poate surprinde nuanțele intricate ale reglementării genelor în diferite contexte celulare. Cercetătorii au analizat activitățile complexe ale promotorilor și reglementarea genelor prin expunerea E. coli la medii de creștere variate, oferind astfel o privire asupra adaptabilității acestor microorganisme.
Han a remarcat că reglementarea genelor nu este un proces universal, ci mai degrabă un proces fin reglat, dependent de semnalele mediului înconjurător. Deoarece rețeaua de reglementare a genelor este complexă, instrumentele anterioare pentru studierea acesteia au necesitat mult timp și efort. Prin abilitatea sa de a perturba cu precizie TF-urile individuale folosind tehnologia CRISPR și de a înregistra efectele ulterioare pentru toate combinațiile TF și promotori, PPTP-seq dezvăluie modul în care promotorii diferiți răspund în diferite condiții, subliniind natura dinamică a exprimării genelor, chiar și în organismele simple.
“În final, PPTP-seq ne permite să efectuăm studii de biologie sistemică cu o eficiență mult mai mare – de 50 de ori mai mare decât abordările curente”, a subliniat Zhang. “Lucrarea noastră a dezvăluit o rețea de răspunsuri reglatoare cuprinzătoare în bacterii, inclusiv multe răspunsuri necunoscute anterior.”
Această înțelegere mai profundă a reglementării celulare ar putea avea implicații semnificative în domenii precum biotehnologia și medicina. Han a indicat în mod specific posibile aplicații în bioproducție, unde răspunsurile noi descoperite ar putea fi folosite pentru a programa bacteriile să producă materiale dorite, chiar și în condiții nefavorabile. În viitor, PPTP-seq ar putea fi utilizat pentru studierea celulelor mai complexe, inclusiv celulele animale.
“Unul dintre marile avantaje ale tehnologiei PPTP-seq este că putem studia întreaga rețea de reglementare a genelor într-o singură etapă, verificând uniform toate interacțiunile în diferite condiții, ceea ce ne permite să facem comparații directe”, a concluzionat Han. “În prezent, aceasta este cercetare de bază. Ne concentrăm pe E. coli ca organism model, deoarece este deja bine studiat, dar chiar și așa am descoperit lucruri noi despre el. Acest lucru sugerează că, pe măsură ce vom explora și alte celule și aplicații, vom descoperi și mai multe.”
