Kan üreten hücrelerde ve yavrularında DNA metilasyon adı verilen biyokimyasal bir modifikasyonun modelindeki farklılıklar, farklılaşma yoluyla klonları doğru bir şekilde izlemek için kullanılabilir. Bu yaklaşım, farelerde ve insanlarda yaşlanmanın bir özelliği olarak miyeloid tipi hücrelere yol açan kan kök hücrelerinin önyargılı genişlemelerini tanımladı.
DNA modifikasyonlarının kalıpları, hücre soy takibi için bir ‘barkod’ sağlar
Kan üreten hücrelerde ve yavrularında DNA metilasyon adı verilen biyokimyasal bir modifikasyonun modelindeki farklılıklar, farklılaşma yoluyla klonları doğru bir şekilde izlemek için kullanılabilir. Bu yaklaşım, farelerde ve insanlarda yaşlanmanın bir özelliği olarak miyeloid tipi hücrelere yol açan kan kök hücrelerinin önyargılı genişlemelerini tanımladı.
Sorun
Soy takibi, gelişimsel ve kök hücre biyolojisinde güçlü bir araçtır, ancak mevcut yaklaşımların çoğu genetik mühendisliğine dayanır ve insan dokularında kullanımlarını sınırlar. Bu nedenle araştırmacılar, her hücrenin farklılaşma durumu hakkındaki bilgilerle birlikte tek hücre düzeyinde analiz edilebilen klonal olarak spesifik ve kalıtsal genetik işaretleri ‘doğal soy izleme barkodlarını’ tanımlamaya çalıştılar. Teknik engeller, soy takibi için nükleer-DNA mutasyonlarının kullanımını engelledi ve mitokondriyal DNA’daki mutasyonları izlemenin sağladığı çözümün yeterli olup olmadığı tartışılıyor. Tek hücreli soy takibi için güvenilir, yüksek verimli, uygun maliyetli bir araç, diğer uygulamaların yanı sıra yaşlanma sırasında ve kan bozukluklarında kök hücre klonlarındaki fonksiyonel değişikliklerin karakterizasyonunu sağlayacaktır.
Keşif
Epigenetik işaretler, DNA’da ve DNA dizisini değiştirmeyen ilişkili proteinlerde biyokimyasal modifikasyonlardır. Böyle bir işaret, bir CpG bölgesine bir metil grubunun, bir sitozin ve ardından bir guanin eklendiği DNA metilasyonudur. DNA-metilasyon kalıplarının doğal çizgi izleme barkodları olarak kullanılabileceğini keşfettik. ScTAM-seq1 kullanarak tek hücrelerde DNA-metilasyon kalıplarını araştırdık.
Çoğu yöntemin aksine, scTAM-seq hedeflenir: genomdaki tüm CpG’lerin küçük bir kısmının metilasyon durumunu çok doğru bir şekilde ölçer. Bu yüksek güven okumaları, bireysel CpG’lerin rastgele “epi-mutasyonlarından” (DNA-metilasyon durumundaki değişiklikler) gelmesi muhtemel olan soyla ilişkili metilasyon sinyallerinin tanımlanmasını sağladı. Fare hücrelerinde, DNA-metilasyon kalıpları ile genetik mühendisliği içeren yerleşik soy izleme araçları olan LARRY lentiviral barkodları2 ile işaretlenmiş bir ‘zemin gerçeği’ klonal kimliği arasında güçlü bir örtüşme bulduk (Şek. 1). Sonuç olarak, klonal özdeşliklerini belirlemek için tek hücrelerden gelen DNA-metilasyon verilerini kümeleyen bir algoritma olan EPI-clone’u geliştirdik.
EPI-Klon tanımlı klonların, güçlü epigenetik yeniden yapılanmadan sonra bile tamamen olgun kan hücresi tiplerinde korunduğunu bulduk. Ayrıca EPI-Clone’un kan oluşturma sistemi dışındaki hücreler için, yani kan damarlarının içini kaplayan endotel hücreleri için de çalışabileceğini bulduk.
Metodumuzu farelerde ve insanlarda yaşlanmayı araştırmak için kullandık. Farelerde, yaşlanmayla birlikte genişlemiş klonların (aynı kök hücreden türetilen hücre grupları) birikimi olduğunu ve miyeloid farklılaşmaya doğru bir kayma olduğunu, ancak genç özelliklerini koruyan klonların yaşlılığa kadar devam ettiğini bulduk. Bu son bulgu, kan oluşturma sisteminin yaşa bağlı, miyeloid önyargılı klonları yok ederek işlevsel olarak ‘gençleştirilebileceğini’ umuyor3.
Sağlıklı insanlarda, genişletilmiş klonlarda yaşa bağlı bir artış da keşfettik. Şaşırtıcı bir şekilde, klonal hematopoez (bir mutasyon ve bazı durumlarda kan kanseri ile işaretlenmiş belirli kök hücrelerden türetilen klonların genişlemesine yol açan) adı verilen bir durumla ilişkili bilinen mutasyonları olan ve olmayan genişletilmiş klonlar, farklılaşma ve genişleme açısından benzer şekilde davrandı.
Gelecek yönleri
EPI-Clone, gelecekteki birkaç soruşturma hattının kapısını açıyor. Örneğin, kan kök hücrelerinin klonal genişlemesini yönlendiren çevre, genetik ve yaşam tarzı gibi yaşın ötesindeki faktörlerin incelenmesini sağlayacaktır. EPI-klon ile ilk kez büyük kohortlarda kök hücre klonlarını takip edebilir ve bu değişkenlerin klonal genişleme ve hematolojik hastalıkla nasıl ilişkili olduğunu araştırabiliriz.
EPI-klon kullanılarak ele alınabilecek bir diğer soru, insanlarda yaşa göre genişletilmiş, miyeloid önyargılı klonların nasıl hedefleneceğidir. Onlarca yıllık çalışma, farelerde yaşa göre ilişkili kök hücrelerde hedeflenebilir moleküler belirteçlerin tanımlanmasına yol açmış olsa da3, EPI-Clone bu tür hedefleri insanlarda belirlemenin bir yolunu sunar.
Epi-mutasyonlar filogenezi (hücrelerin ‘şecereleri’) verebilir mi? Epi-mutasyonların meydana geldiği oranların daha iyi anlaşılması, hücreler arasındaki evrimsel ilişkilerin yeniden inşasını ve yüksek klinik alaka düzeyinin bir ölçüsü olan klonal genişleme oranlarının tahmin edilmesini sağlayabilir4. — Michael Scherer, Almanya’nın Heidelberg kentindeki Alman Kanser Araştırma Merkezi’nde ve Lars Velten, Barselona, İspanya’daki Genomik Düzenleme Merkezi’ndedir.
Kağıdın arkasında
Araştırmada önemli bulgular genellikle beklenmedik bir şekilde ortaya çıkar. Soy önyargılarının – kan hücresi üreten kök hücrelerin belirli kan hücresi tiplerini üretme eğilimleri – bu hücrelerin DNA-metilasyon durumlarında tespit edilip edilemeyeceğini anlamak istedik. Bu amaçla, genetik mühendislik tabanlı soy takibi konusunda uzman olan Indranil Singh ve Alejo Rodriguez-Fraticelli ile işbirliği yaptık. Soy önyargılarının DNA metilasyonu tarafından düzenlendiğine dair hiçbir kanıt bulamadık, ancak sürprizimize göre, DNA metilasyonunun doğal bir soy izleyicisi olarak kullanılabileceğini keşfettik. Bu tesadüfi keşif projeye beklenmedik bir dinamik verdi ve EPI-Clone’un insan dokusuna uygulanmasını geliştirmek için yol boyunca bize katılan insanlara (özellikle Martina Braun ve Chelsea Szu-Tu), işbirlikçilerimize (kritik ve iyi açıklamalı örnekler sağlayan) ve fon sağlayıcılarımıza (özellikle Avrupa Hematoloji Derneği, Alman Araştırma Vakfı ve İspanyol Kanserle Mücadele Derneği) minnettarız. — M.S. ve L.V.
Kaynak ve devamına Buradan ulaşabilirsiniz.