يحدد العلماء 5072 جينًا بشريًا أساسيًا

يحدد العلماء 5072 جينًا بشريًا أساسيًا

وفي دراسة نشرت مؤخرا في المجلة خلية قام الباحثون بفحص المشهد المظهري للعديد من الجينات البشرية الأساسية المراوغة لإنشاء مورد مفصل للنمط الوراثي الذي يحدد العواقب المظهرية لتعطيل العمليات الخلوية الأساسية.

الموارد: المشهد المظهري للجينات البشرية الأساسية. مصدر الصورة: مليار صورة / شترستوك

خلفية

يعد تحديد دور الجينات الأساسية في العمليات الخلوية المختلفة، بما في ذلك تصور مساهماتها في مورفولوجيا الخلية، أمرًا بالغ الأهمية لفهم أساس نمو الخلايا وانتشارها ووظائفها.

عن الدراسة

في الدراسة الحالية، أجرى الباحثون لأول مرة فحصًا وظيفيًا قائمًا على التكرارات المتناوبة القصيرة المتباعدة بانتظام (CRISPR) – البروتين المرتبط بـ CRISPR 9 (Cas9) وحددوا 5,072 جينًا أساسيًا يمنح اللياقة البدنية. بعد ذلك، اختاروا أربعة تسلسلات من الحمض النووي الريبي (sgRNA) أحادية الدليل تستهدف كل جين، بالإضافة إلى 250 sgRNAs "غير مستهدفة"، من مكتبات sgRNA الموجودة.

قاموا بتسليم مكتبة sgRNA إلى خلايا HeLa التي تحتوي على بنية Cas9 متكاملة محفزة للدوكسيسيكلين. وبعد ذلك، قاموا بإصلاح الخلايا وتضخيم تسلسلات sgRNA في الموقع. ثم قاموا بصبغ الخلايا وتصويرها بأربعة أصباغ ساعدتهم على تصور التشكل النووي، والاستجابة لأضرار الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA)، والأنابيب الدقيقة، والأكتين الخيطي.

بعد تصنيف الخلايا على أنها طور بيني أو انقسامي، أجرى الفريق تحليلات لاحقة. قدم هذا الفحص المبني على الصور صورًا مجهرية ساعدت الباحثين على استخلاص القياسات المظهرية لـ 1084 من معلمات تصوير الخلايا، بما في ذلك قياسات الكثافة، والتوزيع تحت الخلوي، والتمركز الموضعي، وحجم الخلية والنواة وشكلها. قارن الباحثون هويات sgRNA لأكثر من 31 مليون خلية، بمتوسط ​​6119 خلية لكل جين مستهدف لأربعة sgRNAs. وأخيرًا، أجرى الباحثون تصويرًا مجمعًا للخلايا الحية لتحديد الجينات المطلوبة لفصل الكروموسوم.

نتائج الدراسة

حدد التحليل المجهري المجمع لأكثر من 31 مليون خلية فردية معطلة لآلاف الجينات البشرية التي تمنح اللياقة البدنية مساهمات محددة في العمليات البيولوجية الأساسية بناءً على الأنماط الخلوية الناتجة. يمكن مقارنة معلمات الخلية بشكل مباشر عبر مجموعة كبيرة من الخلايا ويشار إليها باسم "بصمات الأصابع" المظهرية لهدف الجين. ومن خلال مقارنة هذه السمات المظهرية، حدد الباحثون العلاقات الجينية ذات الوظيفة المشتركة بدقة كافية لتمييز الأدوار ذات الصلة في عمليات خلوية محددة. ومع ذلك، كانت أربعة أصباغ خلوية فقط كافية لتحديد العلاقات الوظيفية بين الجينات عبر مسارات بيولوجية مختلفة، دون تحليل علامات خلوية محددة تتوافق مع كل مسار خلوي بوظيفة مختلفة.

بالإضافة إلى تحديد العلاقات الراسخة، قدم العمل الحالي العديد من التنبؤات لمساهمات الجينات غير المكتملة في العمليات الخلوية الأساسية. على سبيل المثال، أشار تحليل مجموعات النمط الظاهري إلى تورط C7orf26 كوحدة فرعية من مجمع التكامل الأساسي، وC1orf131 كمنظم للتكوين الحيوي للريبوسوم، وAKIRIN2 في وظيفة البروتيزوم. كما حددوا أيضًا تعطيل الجينات الذي يؤدي إلى عيوب في الوظيفة الانقسامية، بما في ذلك الأدوار غير المتوقعة للناقلات المرتبطة بالغشاء AQP7 وATP1A1 والأوسمولية الخلوية في تعزيز الفصل الدقيق للكروموسومات.

بالإضافة إلى ذلك، كشفت هذه الورقة عن دور العديد من منظمات التعبير الجيني في التحكم في انقسام الخلايا، بما في ذلك عامل النسخ المتوقع ZNF335، ومجمع DREAM (LIN52)، ومجمع معالجة mRNA ذو الثلاثين طرفًا (CLP1)، والجسيم الضفيري الأصغر (RNPC3). التعبير عن مكونات انقسام الخلايا المحددة. تسلط هذه الأمثلة الضوء على قوة الفحص البصري لتحديد الجينات ذات الوظائف المشتركة عبر مسارات بيولوجية متنوعة، مع إمكانية تحقيق المزيد من الاكتشافات من البيانات المنشورة هنا.

الاستنتاجات

استخدم الباحثون بكفاءة أنماطًا ظاهرية معقدة ومتعددة الأبعاد وقائمة على الصور للحصول على مجموعات الجينات ذات الصلة وظيفيًا عبر عمليات خلوية متنوعة على نطاق أكبر بكثير من أي شاشة ملفات تعريف مجمعة قائمة على الصور. ونتيجة لذلك، أصبح لدى الباحثين الآن مصدر بيانات قوي للاستكشاف وبيئة اختبار شاملة لتطوير التقنيات التحليلية.

يمكن أن يعمل بروتينان في مسار بيولوجي واحد دون إظهار تفاعل مباشر. بالإضافة إلى التحديد الدقيق للجينات الوظيفية المشتركة عبر مجموعة متنوعة من العمليات الخلوية، قدمت الدراسة الحالية نهجًا متعامدًا قابلاً للتطوير بدرجة كبيرة لدراسات تفاعل البروتين على مستوى البروتين. علاوة على ذلك، فإن التنميط المظهري الكمي القائم على الصور يحدد بشكل ملحوظ مجموعات الجينات للجينات الأساسية، مثل. ب. مكونات الريبوسوم التي ليس لها متطلبات مختلفة عبر خطوط الخلايا. في كثير من الحالات، حدد هذا التحليل أيضًا جينات إضافية ودقة أكثر دقة لمجموعات الجينات الخاصة بها، مما يسمح بالتمييز بين الوحدات الفرعية للريبوسوم الأساسي وعوامل التولد الحيوي للريبوسوم.

كان نهج الدراسة أيضًا ناجحًا جدًا في تحديد مجموعات الجينات للعمليات المورفولوجية، بما في ذلك التحريك الخلوي، والنقل النووي، وتكثيف الكروموسوم وغيرها، والتي قد يكون من الصعب تحديدها بسبب التغييرات النسخية. كما أنها أنتجت بيانات ملف تعريف معقدة، ومكنت هوية الاضطراب لكل خلية من الارتباط المباشر بين أنماط ظاهرية متعددة عالية الأبعاد مع اضطرابات فردية في تجربة واحدة. بشكل عام، ظهرت شاشات CRISPR المجمعة غير المكلفة نسبيًا والقائمة على الصور كاستراتيجية قوية لتحديد شبكات الجينات والأدوار الوظيفية للجينات البشرية. بالإضافة إلى ذلك، كانت الشاشات المجمعة المستندة إلى الصور سهلة القياس نسبيًا مقارنة بالشاشات المستندة إلى الصور المصفوفة، مع وجود عناصر تحكم مختلطة توفر أساسًا إحصائيًا قويًا للمقارنات.

مرجع:

• Die phänotypische Landschaft wesentlicher menschlicher Gene, Luke Funk, Kuan-Chung Su, Jimmy Ly, David Feldman, Avtar Singh, Brittania Moodie, Paul C.Blainey, Iain M.Cheeseman, Cell 2022, DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.10.017, https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0092867422013599

.