Znanstveniki identificirajo 5072 bistvenih človeških genov

Znanstveniki identificirajo 5072 bistvenih človeških genov

V študiji, nedavno objavljeni v reviji celica Raziskovalci so preučili fenotipsko pokrajino več nedosegljivih bistvenih človeških genov, da bi ustvarili podroben vir genotip-fenotip, ki opisuje fenotipske posledice motenj temeljnih celičnih procesov.

Vir: Fenotipska pokrajina bistvenih človeških genov. Avtor fotografije: Billion Photos / Shutterstock

ozadje

Določitev vloge bistvenih genov v različnih celičnih procesih, vključno z vizualizacijo njihovih prispevkov k celični morfologiji, je ključnega pomena za razumevanje osnove celične rasti, proliferacije in funkcionalnosti.

O študiju

V tej študiji so raziskovalci najprej izvedli Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR) – funkcionalno presejanje na osnovi proteina 9 (Cas9), povezanega s CRISPR, in identificirali 5.072 bistvenih genov, ki dajejo sposobnost. Nato so iz obstoječih knjižnic sgRNA izbrali štiri zaporedja ribonukleinske kisline (sgRNA) z enim vodilom, ki so ciljala na vsak gen, kot tudi 250 "neciljnih" sgRNA.

Dostavili so knjižnico sgRNA v celice HeLa, ki so vsebovale integriran z doksiciklinom induciran konstrukt Cas9. Nato so fiksirali celice in pomnožili sekvence sgRNA in situ. Nato so celice obarvali in slikali s štirimi barvili, ki so jim pomagala vizualizirati jedrsko morfologijo, odziv na poškodbe deoksiribonukleinske kisline (DNK), mikrotubule in filamentni aktin.

Po razvrstitvi celic kot interfaznih ali mitotičnih je ekipa izvedla nadaljnje analize. Ta slikovni pregled je zagotovil mikroskopske slike, ki so raziskovalcem pomagale pridobiti fenotipske meritve za 1084 parametrov slikanja celic, vključno z meritvami intenzivnosti, podcelične porazdelitve, kolokalizacije točk ter velikosti in oblike celic in jeder. Raziskovalci so primerjali identitete sgRNA za več kot 31 milijonov celic, z mediano 6.119 celic na tarčo gena za štiri sgRNA. Končno so raziskovalci izvedli skupno slikanje živih celic, da bi identificirali gene, potrebne za ločevanje kromosomov.

Rezultati študije

Združena mikroskopska analiza >31 milijonov posameznih izločenih celic za tisoče človeških genov, ki zagotavljajo telesno pripravljenost, je na podlagi nastalih celičnih fenotipov identificirala specifične prispevke k temeljnim biološkim procesom. Parametri celice so neposredno primerljivi v veliki populaciji celic in se imenujejo fenotipski "prstni odtisi" tarče gena. S primerjavo teh fenotipskih profilov so raziskovalci definirali kofunkcionalne genske odnose z zadostno ločljivostjo, da bi razlikovali povezane vloge v specifičnih celičnih procesih. Vendar pa so samo štiri celične barve zadostovale za identifikacijo funkcionalnih odnosov med geni po različnih bioloških poteh, ne da bi analizirali specifične celične markerje, ki ustrezajo vsaki celični poti z drugačno funkcijo.

Poleg ugotavljanja vzpostavljenih odnosov je trenutno delo zagotovilo več napovedi za prispevke nepopolno opisanih genov k temeljnim celičnim procesom. Na primer, analiza združevanja fenotipov je implicirala C7orf26 kot podenoto jedrnega integratorskega kompleksa, C1orf131 kot regulator biogeneze ribosomov in AKIRIN2 v funkciji proteasoma. Identificirali so tudi genske izpade, ki vodijo do napak v mitotični funkciji, vključno z nepričakovanimi vlogami membransko vezanih transporterjev AQP7 in ATP1A1 ter celične osmolarnosti pri spodbujanju natančnega ločevanja kromosomov.

Poleg tega je ta članek razkril vlogo več regulatorjev genske ekspresije pri nadzoru celične delitve, vključno s predvidenim transkripcijskim faktorjem ZNF335, kompleksom DREAM (LIN52), kompleksom za obdelavo mRNA na 30 koncu (CLP1) in manjšim spliceosomom (RNPC3). izražanje specifičnih komponent celične delitve. Ti primeri poudarjajo moč optičnega presejanja za identifikacijo kofunkcionalnih genov po različnih bioloških poteh, s potencialom za nadaljnja odkritja iz tukaj objavljenih podatkov.

Sklepi

Raziskovalci so učinkovito uporabili kompleksne, večdimenzionalne fenotipe, ki temeljijo na slikah, da bi pridobili funkcionalno pomembne genske skupine v različnih celičnih procesih v obsegu, ki je veliko večji od katerega koli skupnega profila za profiliranje na podlagi posamezne slike. Posledično imajo raziskovalci zdaj močan vir podatkov za raziskovanje in celovito testno okolje za razvoj analitičnih tehnik.

Dva proteina bi lahko delovala v eni sami biološki poti, ne da bi pokazala neposredno interakcijo. Poleg natančne identifikacije kofunkcionalnih genov v različnih celičnih procesih je trenutna študija zagotovila zelo razširljiv ortogonalni pristop za študije interakcij proteinov na celotnem proteomu. Poleg tega je kvantitativno fenotipsko profiliranje na podlagi slike izjemno definiralo genske skupine za vsebistvene gene, kot je npr. B. Komponente ribosomov, ki nimajo različnih zahtev po celičnih linijah. V mnogih primerih je ta analiza identificirala tudi dodatne gene in bolj natančno ločljivost za njihove genske skupine, kar je omogočilo razlikovanje med jedrnimi podenotami ribosomov in faktorji biogeneze ribosomov.

Študijski pristop je bil zelo uspešen tudi pri identifikaciji genskih skupin za morfološke procese, vključno s citokinezo, jedrskim transportom, kondenzacijo kromosomov in drugimi, ki bi jih sicer težko identificirali zaradi transkripcijskih sprememb. Ustvaril je tudi zapletene podatke o profilu in identiteta motenj za vsako celico je omogočila neposredno korelacijo več visokodimenzionalnih fenotipov s posameznimi motnjami v enem poskusu. Na splošno so se razmeroma poceni združeni zasloni za profiliranje CRISPR, ki temeljijo na slikah, pojavili kot robustna strategija za definiranje genskih mrež in funkcionalnih vlog človeških genov. Poleg tega je bilo zaslone, ki temeljijo na združenih slikah, sorazmerno enostavno prilagoditi velikosti v primerjavi z zasloni, ki temeljijo na razporejenih slikah, z mešanimi kontrolami, ki zagotavljajo zanesljivo statistično podlago za primerjave.

Referenca:

• 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

.