Για πρώτη φορά, η επιστήμη καταφέρνει να ρίξει φως στα πιο αινιγματικά κομμάτια του ανθρώπινου γονιδιώματος, εκεί όπου κρύβονται οι περισσότερες απαντήσεις για το πώς ξεκινούν και εξελίσσονται οι ασθένειες.
Μια ομάδα ερευνητών από το European Molecular Biology Laboratory (EMBL) ανέπτυξε το SDR-seq, ένα νέο εργαλείο αλληλούχισης που μπορεί να «διαβάσει» ταυτόχρονα DNA και RNA από το ίδιο κύτταρο. Το αποτέλεσμα είναι μια τεχνολογία που προσφέρει μεγαλύτερη ακρίβεια, ταχύτητα και κλίμακα απ’ ό,τι είχαμε δει μέχρι σήμερα.
Και το σημαντικότερο: ανοίγει για πρώτη φορά την πρόσβαση στις μη κωδικοποιητικές περιοχές του DNA — τα τμήματα που δεν παράγουν πρωτεΐνες αλλά ρυθμίζουν κρίσιμες βιολογικές λειτουργίες και συνδέονται με τη συντριπτική πλειονότητα των γενετικών μεταλλάξεων που προκαλούν ασθένειες.
Η ιδέα ότι ορισμένες ασθένειες είναι κληρονομικές δεν είναι νέα. Ο Ιπποκράτης το είχε παρατηρήσει ήδη πριν από αιώνες. Αυτό που άλλαξε είναι τα εργαλεία: σήμερα μπορούμε να δούμε, σχεδόν κυριολεκτικά, το πώς αυτές οι ασθένειες περνούν από γενιά σε γενιά μέσω του DNA.
Το SDR-seq αποτελεί το πιο πρόσφατο βήμα σε αυτή τη μακρά πορεία. Πρόκειται για μια τεχνολογία single-cell sequencing, δηλαδή ανάλυσης σε επίπεδο μεμονωμένου κυττάρου, που συνδέει παραλλαγές DNA με τα αντίστοιχα πρότυπα γονιδιακής έκφρασης στο RNA του ίδιου κυττάρου.
Όπως εξηγεί ο Dominik Lindenhofer, κύριος συγγραφέας της νέας μελέτης που δημοσιεύθηκε στο Nature Methods, μέχρι σήμερα οι επιστήμονες μπορούσαν να μελετήσουν χιλιάδες κύτταρα, αλλά μόνο τις παραλλαγές που «εκφράζονταν» ενεργά, δηλαδή μόνο τις κωδικοποιητικές περιοχές. Το SDR-seq αλλάζει το παιχνίδι: λειτουργεί ανεξάρτητα από το πού βρίσκονται οι παραλλαγές, επιτρέποντας την ανάλυση περίπλοκων δειγμάτων με ανεπανάληπτη ακρίβεια.
Το DNA μας αποτελείται από δύο μεγάλες κατηγορίες περιοχών: τις κωδικοποιητικές, που καθοδηγούν τη δημιουργία πρωτεϊνών, και τις μη κωδικοποιητικές, που λειτουργούν ως ρυθμιστές. Αν και οι δεύτερες δεν παράγουν οι ίδιες πρωτεΐνες, ελέγχουν το πότε και πώς τα γονίδια ενεργοποιούνται ή απενεργοποιούνται.
Περισσότερο από το 95% των γενετικών παραλλαγών που σχετίζονται με ασθένειες εντοπίζεται σε αυτές τις μη κωδικοποιητικές περιοχές. Μέχρι πρόσφατα, όμως, η τεχνολογία δεν επέτρεπε την ταυτόχρονη μελέτη DNA και RNA στο ίδιο κύτταρο σε μεγάλη κλίμακα — κάτι που περιόριζε σημαντικά την κατανόησή μας για το πώς ακριβώς οι μεταλλάξεις επηρεάζουν τη λειτουργία των γονιδίων.
«Γνωρίζουμε ότι μέσα σε αυτές τις περιοχές υπάρχουν παραλλαγές που σχετίζονται με παθήσεις όπως η συγγενής καρδιοπάθεια, ο αυτισμός και η σχιζοφρένεια», λέει ο Lindenhofer. «Απλώς δεν είχαμε το κατάλληλο εργαλείο για να τις μελετήσουμε στο φυσικό τους πλαίσιο».
Η λειτουργία του SDR-seq βασίζεται σε μικροσκοπικές σταγόνες λαδιού και νερού, καθεμία από τις οποίες περιέχει ένα μόνο κύτταρο. Μέσα σε αυτές τις «μικροκάψουλες», οι επιστήμονες μπορούν να αναλύσουν ταυτόχρονα το DNA και το RNA του ίδιου κυττάρου.
Η ανάπτυξη της τεχνολογίας αποτέλεσε συλλογική προσπάθεια. Ομάδες από τα τμήματα Genome Biology και Structural and Computational Biology του EMBL συνεργάστηκαν με ερευνητές από το Stanford University School of Medicine και το Heidelberg University Hospital. Η ομάδα των Judith Zaugg και Kyung-Min Noh ανέπτυξε μια τεχνική που «σταθεροποιεί» το RNA ώστε να μην αλλοιώνεται, ενώ οι υπολογιστικοί βιολόγοι του Oliver Stegle σχεδίασαν έναν εξειδικευμένο αλγόριθμο που αποκωδικοποιεί το περίπλοκο σύστημα «barcoding» των κυττάρων. Το λογισμικό αυτό, αν και δημιουργήθηκε για τις ανάγκες του SDR-seq, αναμένεται να έχει ευρύτερη χρήση σε μελλοντικές μελέτες.
Για να δοκιμάσουν το SDR-seq, οι ερευνητές στράφηκαν σε δείγματα από ασθενείς με B-cell lymphoma — έναν τύπο καρκίνου του αίματος που χαρακτηρίζεται από έντονη γενετική ποικιλομορφία. Οι αναλύσεις αποκάλυψαν ότι κύτταρα με περισσότερες παραλλαγές στο DNA παρουσίαζαν πιο ισχυρά σήματα ενεργοποίησης που προωθούν την ανάπτυξη του όγκου.
«Μπορούμε πλέον να δούμε με ακρίβεια αν μια παραλλαγή υπάρχει σε ένα ή και στα δύο αντίγραφα ενός γονιδίου, και να μετρήσουμε πώς αυτό επηρεάζει τη γονιδιακή έκφραση στο ίδιο κύτταρο», εξηγεί ο Lindenhofer. «Στην περίπτωση του B-cell lymphoma, διαπιστώσαμε ότι όσο αυξάνονταν οι παραλλαγές, τόσο πιο επιθετικός γινόταν ο καρκινικός φαινότυπος».
Με το SDR-seq, οι βιολόγοι διαθέτουν πλέον ένα εργαλείο που συνδυάζει ταχύτητα, ακρίβεια και δυνατότητα ανάλυσης τεράστιων ποσοτήτων δεδομένων. Αν και η τεχνολογία βρίσκεται ακόμα σε ερευνητικό στάδιο, τα πρώτα αποτελέσματα δείχνουν ότι θα μπορούσε να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο εντοπίζουμε και αντιμετωπίζουμε σύνθετες ασθένειες.
Πέρα από τη θεραπεία, όμως, το SDR-seq μπορεί να συμβάλει στη δημιουργία πιο στοχευμένων εργαλείων διάγνωσης και πρόληψης. Όπως τονίζει ο Lars Steinmetz, senior author της μελέτης και καθηγητής Γενετικής στο Stanford University School of Medicine,
Πρόκειται για ένα εργαλείο που συνδέει άμεσα τις γενετικές παραλλαγές με τις ασθένειες. Αν κατανοήσουμε πώς αυτές οι παραλλαγές ρυθμίζουν τη βιολογία μιας πάθησης, μπορούμε να παρέμβουμε πιο έγκαιρα και πιο αποτελεσματικά.
[source]
