การแบ่งแยกเซลล์ เกิดอะไรขึ้นกับ DNA - การวิเคราะห์ epigenomic (2023)

บทความ 5 ชิ้นโดยนักวิจัยจากแคนาดา เกาหลี ออสเตรเลีย และเนเธอร์แลนด์ รวมถึง Nature

ทีมของศาสตราจารย์จองซุนซอ “การติดตามการเปลี่ยนแปลงในวัสดุอีพีเจเนติกส์ในกระบวนการแยกความแตกต่าง”

กระบวนการสร้างความแตกต่าง-การแยกความแตกต่างโดยอาศัยกลุ่มเมทิลที่เปิดและปิดยีน

ทีมวิจัยร่วมระดับนานาชาติชื่อ 'Project Grandiose' ได้ใส่ 'Yamanaka Transcription Factor' ซึ่งเป็นตัวควบคุมยีนที่ทำให้เกิดความแตกต่างในเซลล์ร่างกายของหนู และจีโนมและอีพิจีโนมที่ปรากฏในกระบวนการแยกความแตกต่างของเซลล์เหล่านี้ให้เป็นเซลล์ต้นกำเนิด , โปรตีน ฯลฯ และตีพิมพ์บทความ 5 เรื่องใน (2 ชิ้น) และ (3 ชิ้น) การวิจัยร่วมนี้นำโดยนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยโตรอนโตในแคนาดา และมีทีมวิจัยจากเกาหลี ออสเตรเลีย และเนเธอร์แลนด์เข้าร่วมบทความ 1 วิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงในวัสดุอีพีเจเนติกส์และร่วมเป็นผู้เขียนร่วมในเอกสารอื่นๆ อีกสามฉบับ (รายการเอกสารและลิงก์ ดูคำถามและคำตอบด้านล่าง).

" อ้างอิง. 'คอนเสิร์ตชีวิต' ของ DNA และวัสดุอีพิเจเนติกส์ รูปภาพข้อมูล Hankyoreh (2010)“นี่เป็นครั้งแรกที่มีการวิเคราะห์รายละเอียดของอีพิจีโนม (เอพิจีโนม) ทั้งหมดที่ปรากฏในกระบวนการแยกความแตกต่างของโซมาติกเซลล์ที่แยกความแตกต่างออกไปให้กลายเป็นเซลล์ต้นกำเนิดก่อนการแยกความแตกต่าง จะดำเนินการทุกๆ สองถึงสามวัน” ศาสตราจารย์ซอ จองซอน กล่าว ซึ่งเป็นผู้เขียนหลักของรายงานการวิเคราะห์อีพิจีโนม” เขากล่าว เขากล่าวว่า "เราจะพิจารณาให้ละเอียดยิ่งขึ้นว่าเมื่อใด ที่ไหน และอย่างไร สารอีพีเจเนติกส์ที่เรียกว่า 'กลุ่มเมทิล' จะถูกหลั่งออกมา (demethylation) ในระหว่างกระบวนการแยกความแตกต่าง ซึ่งมีส่วนช่วยให้เราเข้าใจสิ่งที่เราทำ"

ในระหว่างการแยกความแตกต่างของเซลล์ร่างกายของหนูที่ถูกฉีดด้วยปัจจัยการถอดรหัสยามานากะ ทีมวิจัยได้วิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงของอีพีเจเนติกส์ในเซลล์ทั้งหมด 13 ครั้งทุกๆ 2 ถึง 3 วัน ใช้เวลาหนึ่งปีครึ่งในการวิเคราะห์และเผยแพร่

เหตุใดวัสดุอีพิเจเนติกจึงเกี่ยวข้องกับสเต็มเซลล์

'กลุ่มเมทิล' ซึ่งเป็นสารอีพีเจเนติกส์ชนิดหนึ่งทำหน้าที่ยับยั้งการแสดงออกของยีนโดยไปจับกับลำดับนิวคลีโอไทด์ของการทำงานของยีน มีบทบาทเป็น โดยเฉพาะอย่างยิ่งกลุ่มเมทิลเหล่านี้เกาะติดแน่นกับยีนที่เกี่ยวข้องกับความสามารถในการแยกความแตกต่างในเซลล์เกือบทั้งหมด (pluripotency) ทำให้พวกมันไม่สามารถทำงานได้ อย่างไรก็ตาม ในกระบวนการของการแยกความแตกต่างเพื่อคืนความสามารถในการสร้างความแตกต่างก่อนที่จะสร้างความแตกต่าง ยีนที่ถูกผูกไว้อย่างแน่นหนาที่เกี่ยวข้องกับความสามารถในการสร้างความแตกต่างจะต้องถูกปลดปล่อยออกจากกลุ่มเมทิล

ทีมวิจัยได้วิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงของวัสดุอีพิเจเนติกส์และพบข้อเท็จจริงที่น่าสนใจหลายประการ

ในบรรดาคู่เบส 3 พันล้านคู่ของ DNA ของมนุษย์ สถานที่ที่หมู่เอพีเจเนติกเมทิลเกาะติดกันอย่างดีคือส่วนที่เบสไซโตซีน (C) และกัวนีน (G) ติดต่อกัน (CpG) และมีประมาณ 28 ล้านตำแหน่งดังกล่าว อย่างไรก็ตาม มีการสังเกตว่าสถานที่ที่ส่วนต่อเนื่องของ CG ปรากฏหนาแน่นและสถานที่ที่ไม่ค่อยปรากฏนั้นถูกแยกแยะ จากการจำแนกประเภทนี้ “จีโนมมนุษย์สามารถแบ่งออกเป็นบริเวณที่มีความหนาแน่นของ CpG ประมาณ 7.1% และบริเวณที่หายากของ CpG 93%”

ทั้งสองภูมิภาคดูเหมือนจะมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันมากเกี่ยวกับวัสดุอีพีเจเนติก ศาสตราจารย์ Seo กล่าวว่า "ในทางตรงกันข้าม การแสดงออกของยีนมักไม่ถูกระงับเนื่องจากกลุ่มเมทิลเกาะติดกับบริเวณ DNA ที่มี CpG หนาแน่นได้ไม่ดี CpG เป็นของหายาก ดังนั้น ยีนดังกล่าวจึงอยู่ในบริเวณ DNA 'ดั้งเดิม' และสิ่งเหล่านี้ ยีนแสดงลักษณะของไฮเปอร์เมทิลเลชั่นซึ่งถูกห่อหุ้มไว้อย่างแน่นหนาในกลุ่มเมทิล”

เขากล่าวว่า "หากยีนที่เกี่ยวข้องกับ pluripotency แสดงออกในเซลล์เทอร์มินัล ถือเป็นสถานการณ์ที่อันตรายมากที่เซลล์เทอร์มินัลสามารถกลายเป็นเซลล์มะเร็งได้ ดูเหมือนว่าจะอยู่ภายใต้การควบคุม" เขากล่าว

เมื่อปัจจัยการถอดรหัสที่กระตุ้นให้เกิดการแยกความแตกต่างเข้าสู่เซลล์ร่างกายเหล่านี้ วัสดุอีพีเจเนติกส์ที่ถูกล็อคจะถูกปล่อยออกมา ตามคำอธิบายของทีมวิจัย ปัจจัยการถอดรหัส dedifferentiation มีการใช้งานอย่างแข็งขันในระยะแรกของการแยกความแตกต่างและผูกกับไซต์ DNA ในเวลานี้ การแยกเมทิลเกิดขึ้นเฉพาะในพื้นที่แคบ ๆ แต่เฉพาะในระยะหลังเท่านั้นเมื่อกิจกรรมของปัจจัยการถอดรหัสกลายเป็น เบสที่เงียบสงบนับหมื่นเบส พบว่ามีดีเมทิลเลชั่นอย่างกว้างขวางเกิดขึ้นในบริเวณลำดับ และสิ่งนี้ทำให้เซลล์ต้นกำเนิดที่แยกความแตกต่างออกไปจริง ๆ

'สเต็มเซลล์ F-Class''

จากการวิจัยร่วมกัน นักวิจัยของโครงการ Grandios ยังได้ค้นพบสเต็มเซลล์ในสถานะใหม่ ในระยะแรกของการแยกความแตกต่าง แม้แต่เซลล์ที่ไม่มีคุณสมบัติของสเต็มเซลล์ที่ถูกแยกความแตกต่างอย่างสมบูรณ์ก็ยังแสดงคุณสมบัติของสเต็มเซลล์ที่สามารถนำไปใช้ในการบำบัดด้วยการฟื้นฟูได้ซึ่งมีคุณค่า ทีมวิจัยตั้งชื่อเซลล์เหล่านี้ว่า "เซลล์ต้นกำเนิดระดับ F" ตามชื่อ F ซึ่งเป็นตัวอักษรตัวแรกของคำคลุมเครือ ในแง่ที่ว่า "ธรรมชาติของเซลล์ต้นกำเนิดยังคงคลุมเครือ" ศาสตราจารย์ซอ กล่าวว่า “การจะทำให้โซมาติกเซลล์เป็นเซลล์ต้นกำเนิด pluripotent (เซลล์ต้นกำเนิดแบบแยกความแตกต่าง) เป็นเรื่องยากมากโดยมีอัตราความสำเร็จน้อยกว่า 1% มีประสิทธิภาพในการผลิตสเต็มเซลล์ในปริมาณค่อนข้างมากจึงเป็นเช่นนั้น คาดว่าจะมีมูลค่าการใช้งานที่ยอดเยี่ยม”◑

■บทคัดย่อของบทความ 'การเปลี่ยนแปลงของ Epigenetic'

การจัดเรียงวัสดุ epigenetic ใหม่แบบไดนามิกนั้นเกี่ยวข้องกับการตั้งโปรแกรมเซลล์โซมาติกใหม่ให้เป็นเซลล์ต้นกำเนิด pluripotent (iPSc, เซลล์ต้นกำเนิดที่แตกต่างกันออกไป) เพื่อตรวจสอบธรรมชาติของแผนงาน epigenomic นี้ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ Grandios เราได้ดำเนินการ MethylC-seq, ChIP-seq (H3K4 /K27/K36me3) ได้ทำการวิเคราะห์ RNA-Seq เราพบว่า DNA methylation เกิดขึ้นทีละน้อยในระหว่างการแยกความแตกต่าง ในขณะที่การสูญเสียกลุ่มเมทิลจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อถึงสถานะที่คล้ายเซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อนเท่านั้น ที่บริเวณที่ปัจจัยกระตุ้นจับกัน โฟกัสดีเมทิลเลชั่นจะเกิดขึ้นในระหว่างการแยกความแตกต่าง ในขณะที่เซลล์ที่มีพลูริโพเทนต์ เช่น เซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อนจะขยายดีเมทิลเลชั่นไปยังบริเวณรอบนอกในวงกว้างมากขึ้น เราพบว่ายีนที่มีโปรโมเตอร์ที่อุดมด้วย CpG แสดงเมทิลเลชั่นต่ำที่เสถียรและมีเครื่องหมายฮิสโตนที่แข็งแกร่ง ในขณะที่ยีนที่มีโปรโมเตอร์ที่หายาก CpG ได้รับการปกป้องโดยเมทิลเลชั่น การควบคุม DNA โดยเมทิลเลชั่นเป็นกุญแจสำคัญในการควบคุมยีนที่มีศักยภาพในการสร้างความแตกต่าง เช่น เซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อน (Dppa4, Dppa5a, Esrrb เป็นต้น) การค้นพบนี้บ่งชี้ว่า DNA methylation มีบทบาทสำคัญในฐานะสวิตช์ epigenetic ที่นำเซลล์โซมาติกไปสู่เซลล์ pluripotent

■ถามตอบ/ศาสตราจารย์จองซุน ซอ

ฉันต้องการถามคำถามสองสามข้อที่ฉันไม่เข้าใจแม้ว่าจะอ่านเนื้อหาคำอธิบายที่ส่งมาก่อนหน้านี้แล้วก็ตาม เป็นที่ทราบกันโดยทั่วไปว่าการทำงานของยีนจะถูกระงับเมื่อมีการติด 'กลุ่มเมทิล' ซึ่งเป็นหนึ่งในวัสดุอีพิเจเนติกส์เข้ากับ DNA เป็นที่เข้าใจกันอย่างคลุมเครือว่ากระบวนการหนึ่งเกิดขึ้น คุณหมายถึง demethylation ที่เกิดขึ้นในบริเวณยีนเฉพาะหรือไม่? การบอกว่าดีเมทิลเลชันเกี่ยวข้องกับกระบวนการแยกความแตกต่างอาจฟังดูคลุมเครือและชัดเจนเกินไป ดูเหมือนว่าจะมีเนื้อหาการวิจัยและความหมายอื่นที่ฉันไม่เข้าใจ
“[พื้นหลัง]:เพื่อให้เซลล์ร่างกายกลายเป็นสเต็มเซลล์ กิจกรรมของยีนที่เกี่ยวข้องกับการสร้างความแตกต่างจะต้องถูกระงับ และยีน pluripotency จะต้องถูกกระตุ้นอีกครั้ง เป็นที่ทราบกันว่าเหตุการณ์เหล่านี้ส่วนใหญ่มีสาเหตุมาจากเมทิลเลชัน/ดีเมทิเลชันเฉพาะตำแหน่งของโปรตีนฮิสโตนที่อยู่รอบๆ DNA (เมทิลเลชันของโปรตีน) DNA methylation เกิดขึ้นเฉพาะที่ cytosine ในสี่เบสเท่านั้น และ methylation ส่วนใหญ่เกิดขึ้นโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อ cytosine และ guanine อยู่ติดกัน (CpG) อย่างไรก็ตาม 'หมู่เกาะ CpG' ซึ่งมี CpG อยู่มากมายนั้นเป็นบริเวณที่เมทิลเลชั่นไม่เกิดขึ้นแบบวิวัฒนาการ โดยสรุป จีโนมมนุษย์สามารถแบ่งออกเป็น “เกาะ CpG ประมาณ 7.1%” และ “ภูมิภาคหายาก CpG 93%”
กระบวนการที่โซมาติกเซลล์กลายเป็นเซลล์ต้นกำเนิดเป็นกระบวนการแยกความแตกต่างที่ดำเนินไปในทิศทางตรงกันข้ามกับการแยกความแตกต่าง ปัจจัยยามานากะทั้งสี่ประการคือปัจจัยการถอดรหัสที่เริ่มต้นการแยกความแตกต่างเมื่อถูกฉีดเข้าไปในเซลล์ร่างกาย หลังจากช่วงระยะเวลาหนึ่งหลังจากหยุดการแสดงออกเทียมของปัจจัยยามานากะ เซลล์ต้นกำเนิด pluripotent จะถูกสร้างขึ้น โดยทั่วไป กระบวนการแยกความแตกต่างประกอบด้วยการพยากรณ์ซึ่งเป็นช่วงเวลาของการแสดงออกเทียมของปัจจัยยามานากะ และกระบวนการต่อมาซึ่งตามมาด้วยการยุติสิ่งนี้
ในการศึกษานี้ เราได้แบ่งกระบวนการแยกความแตกต่างชั่วคราวออกเป็น 13 จุดเวลา และสังเกตการเปลี่ยนแปลงในทรานสคริปโตมและเอพิจีโนม (การกลายพันธุ์ของดีเอ็นเอเมทิลเลชั่น/ฮิสโตน) ที่แต่ละเบส 3 พันล้านฐานโดยใช้เทคโนโลยีการวิเคราะห์จีโนมยุคถัดไป
การแยกความแตกต่างเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นในบุคคลน้อยกว่า 1% การศึกษาของเรามีเป้าหมายเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและความเสถียรของการแยกความแตกต่างโดยการอธิบายกลไก
　[ผลลัพธ์]:ส่วนที่สำคัญที่สุดของกระบวนการแยกความแตกต่างคือการเปิดใช้งานยีน pluripotency สิ่งที่เราได้เปิดเผยคือมีกลไกสองประการของความหนาแน่นของ CpG ในการควบคุมยีน การแสดงออกของยีนคลัสเตอร์ CpG ถูกควบคุมโดยการกลายพันธุ์ของฮิสโตน และยีนที่หายากของ CpG จะถูกควบคุมโดยเมทิลเลชั่นหรือถูกกระตุ้นโดยดีเมทิลเลชั่น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ยีน pluripotency ส่วนใหญ่อยู่ในบริเวณที่หายากของ CpG และสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำโดยการกลายพันธุ์ของฮิสโตนหลังจาก DNA demethylation (ปลดล็อค)
ดังนั้นส่วนสำคัญของกระบวนการแยกความแตกต่างคือการกระตุ้นการทำงานของยีน pluripotency ที่เกิดจากดีเมทิเลชั่นในภูมิภาคที่มีความหนาแน่น CpG ต่ำ”
　
คุณบอกว่าคุณวัดระดับเมทิลเลชันสำหรับแต่ละเบสโดยใช้เทคโนโลยีการวิเคราะห์จีโนม หากเป็นเช่นนั้น คุณได้สังเกตเห็นปรากฏการณ์ดีเมทิเลชันโดยการวัดระดับเมทิลเลชันและวิธีที่ดีเมทิเลชันเกิดขึ้นในเซลล์ร่างกายปกติและเซลล์ที่ไม่แยกความแตกต่างหรือไม่ ?
"ถูกต้องเลย. เราแบ่งกระบวนการแยกความแตกต่างออกเป็น 13 จุดเวลาเพื่อวัดและเปรียบเทียบเมทิลเลชั่นของแต่ละลำดับเบส 3 พันล้านลำดับทั่วทั้งจีโนม (ดู 'รูปที่ 2b' ในเอกสารการวิเคราะห์ epigenomic)
　
นี่เป็นครั้งแรกที่ฉันได้ยินเกี่ยวกับสเต็มเซลล์ระดับ F
“เซลล์ต้นกำเนิด F-class คือเซลล์ต้นกำเนิดที่เพิ่งค้นพบผ่านการวิจัยร่วมกลุ่มวิจัย นี่คือเซลล์โทติโพเทนต์ที่ถูกสร้างขึ้นเมื่อการแสดงออกของปัจจัยยามานากะยังคงอยู่ในระดับสูงในระหว่างกระบวนการผลิต iPSC และมีประสิทธิภาพในการผลิตสูง ดังนั้นจึงมีศักยภาพที่จะใช้สำหรับการบำบัดด้วยสเต็มเซลล์เฉพาะบุคคลได้ในอนาคต F ใน F-Class เป็นตัวย่อของ Fuzzy ซึ่งหมายความว่ามีหลายสิ่งที่ต้องศึกษาในอนาคต”
　
ท้ายที่สุด คุณแสดงให้เห็นหรือไม่ว่า หากคุณสามารถควบคุมกลุ่มเมทิล ซึ่งเป็นวัสดุอีพีเจเนติกส์ได้ คุณก็สามารถสร้างเซลล์ต้นกำเนิดที่มีประสิทธิภาพสูงได้ ประเด็นหลักของวิทยานิพนธ์ฉบับที่ 5 คืออะไร?
“F-class คือเซลล์ต้นกำเนิดที่สร้างขึ้นในกระบวนการสร้างเซลล์ต้นกำเนิดที่มีพลูริโพเทนต์เหนี่ยวนำ โดยไม่คำนึงถึงการควบคุมกลุ่มเมทิล ชื่อวิทยานิพนธ์ที่มีแกนกลางของบทความทั้ง 5 เรื่องมีดังนี้
- แผนงาน epigenomic เพื่อชักนำให้เกิด pluripotency เผย DNA methylation เป็นตัวดัดแปลงการเขียนโปรแกรมใหม่ (การสื่อสารทางธรรมชาติ)
http://www.nature.com/ncomms/2014/141210/ncomms6619/full/ncomms6619.html
- การระบุลักษณะเฉพาะของจีโนมทั่วทั้งเส้นทางสู่ pluripotency (네이처)
http://www.nature.com/nature/journal/v516/n7530/full/nature14046.html
- เส้นทางการเขียนโปรแกรมใหม่ที่แตกต่างกันนำไปสู่สถานะของเซลล์ต้นกำเนิดทางเลือก: (네이처)
http://www.nature.com/nature/journal/v516/n7530/full/nature14047.html
- การเปลี่ยนแปลง RNA ขนาดเล็กระหว่างทางไปยังสถานะเซลล์ที่แตกต่างกันของ pluripotency เหนี่ยวนำ (การสื่อสารทางธรรมชาติ)
http://www.nature.com/ncomms/2014/141210/ncomms6522/full/ncomms6522.html
- การปรับตัวของโปรตีโอมในการเขียนโปรแกรมเซลล์ใหม่ผ่านเครือข่ายการถอดเสียงที่แตกต่างกัน (การสื่อสารทางธรรมชาติ)
http://www.nature.com/ncomms/2014/141210/ncomms6613/full/ncomms6613.html
　
ในรายงานทั้ง 5 ฉบับ เป็นเรื่องที่น่าสับสนเนื่องจากไม่ได้แยกแยะอย่างชัดเจนว่าทีมวิจัยของโรงเรียนแพทย์มหาวิทยาลัยแห่งชาติโซลมีส่วนร่วมอย่างไร หนึ่งในห้าบทความเป็นวิทยานิพนธ์โดยทีมวิจัยมหาวิทยาลัยแห่งชาติโซล (Nature Communications) และอีกสามบทความเป็นบทความที่เขียนร่วมกับทีมวิจัยร่วมระหว่างประเทศ
“บทความแรกข้างต้นเป็นบทความที่นำโดยทีมวิจัยของเรา (บทความผู้เขียนที่เกี่ยวข้อง) และบทความที่ 2-4 เป็นบทความร่วม ทีมงานของเรารับผิดชอบส่วนโดยรวมที่เกี่ยวข้องกับอีพิจีโนมและศึกษามัน”

นักข่าวชอลวู โอ cheolwoo@hani.co.kr

@The Hankyoreh science webzine Science On

[ที่ตายตัว]ที่ท้ายข้อความในประโยค “อัตราความสำเร็จในการแปลงเซลล์ร่างกายให้เป็นเซลล์ต้นกำเนิด pluripotent (เซลล์ต้นกำเนิดที่แตกต่างกัน) อยู่ที่ 1% เท่านั้น…” ให้แก้ไข '1%' เป็น 'น้อยกว่า 1%' 12 ธันวาคม 2557 9:45 น. เช้า.

[บทความวิทยาศาสตร์ เรื่อง Dedifferentiation และ Epigenome]

[เส้นทางสู่วิทยาศาสตร์]

หน้า Facebookhttps://www.facebook.com/scienceon

ทวิตเตอร์https://twitter.com/SciON_hani