ENCODE — inimgenoomi DNA-elementide entsüklopeedia ja leiud

ENCODE: põhjalik inimgenoomi DNA-elementide entsüklopeedia — avastused regulaatoritest, promootoritest, võimendajatest ja geeniekspressiooni mehhanismidest.

ENCODE ehk DNA-elementide entsüklopeedia on suur rahvusvaheline projekt, mille eesmärk oli tuvastada kõik inimese genoomi funktsionaalsed elemendid – need DNA-üksused, mis osalevad rakkude talituses ja geenide reguleerimises. ENCODE käivitati 2003. aastal ning töös osales üle 400 teadlase 32 laboris USAs, Ühendkuningriigis, Hispaanias, Singapuris ja Jaapanis. Projekti andmed ja tulemused avaldati 30 avatud juurdepääsuga artiklis kolmes ajakirjas: Nature, Genome Biology ja Genome Research. See on seni üks kõige ulatuslikumaid ja üksikasjalikumaid inimgenoomi funktsionaalsete elementide kaarte.

Lihtsustatud ülevaade peamistest järeldustest:

1. Ainult umbes 1% genoomist kodeerib valke.
2. Ligikaudu 70 000 järjestust toimivad promootorpiirkondadena.geeniekspressiooni.
3. Umbes 400 000 võimendaja‑ ehk "enhancer"‑piirkonda.
4. Miljonite "lülitite" olemasolu.
5. Ligikaudu 80% genoomist näitas mingit biokeemilist aktiivsust.
6. Evolutsioonilised muutused ilmnevad nii kodeerivates kui regulatoorsetes järjestustes.

Projekti kokkuvõtlik mõte on hästi sõnastatud ka uuringu autorite tsitaadis:

"Evolutsioonibioloogia üks suuri väljakutseid on mõista, kuidas erinevused liikide DNA järjestuses määravad erinevused nende fenotüüpides. Evolutsioonilised muutused võivad toimuda nii valke kodeerivate järjestuste muutuste kui ka geenide regulatsiooni muutvate järjestuste kaudu".

Rakendatud meetodid ja katsetused

ENCODE kasutas mitmesuguseid kaasaegseid genomika‑ ja epigenoomika‑meetodeid, et kaardistada genoomi biokeemilist aktiivsust. Peamised lähenemised hõlmasid:

• Transkribeeritud RNA eraldamine ja järjestamine (nt RNA‑seq ja CAGE), et leida, millised piirkonnad genoomis toodavad RNA‑molekule.
• Seondumiskohtade kaardistamine ligikaudu 120 transkriptsioonifaktorile (tavaliselt ChIP‑seq‑i abil), et määrata, kus valgud genoomiga suhtlevad ja millised piirkonnad võivad toimida regulaatoritena.
• Histoonide keemiliste modifikatsioonide mustrite uurimine, mis aitab eristada promootoreid, võimendajaid ja teisi regulatoorseid elemente (näiteks metüleerimise ja histooniryhmituste markide abil).
• DNA‑kromatiini lahtisuse mõõtmine (nt DNase I hypersensitivity), mis näitab potentsiaalselt aktiivseid, valkudele ligipääsetavaid piirkondi.
• Ulatuslikud katseread: kokku tehti üle 1600 katse erinevates tingimustes ja kasutati 147 erinevat rakutüüpi, et tabada koe‑ ja olukorrispetsiifilist regulatsiooni.

Tulemuste tähendus ja järeldused

ENCODE andmestik on mitmetes valdkondades mõjutanud teadust ja rakendusi:

• See on muutnud arusaama, et mittekodeeriv DNA on tühine: paljud mittekodeerivad järjestused osalevad geeniregulatsioonis ja rakkude funktsioonides.
• ENCODE andmed aitavad tõlgendada haiguste‑ ja omaduste uuringuid (näiteks GWAS), kuna paljud haigustega seotud variandid asuvad regulatoorsetes elementides, mitte valke kodeerivates geenides.
• Andmed pakuvad ressursse geneetiliste võrgustike mõistmiseks, võimaldades uurida, kuidas erinevad transkriptsioonifaktorid ja epigeneetilised märgid koos toimivad.
• Samuti tekitas ENCODE teaduslikku diskussiooni funktsiooni definitsiooni üle: biokeemiline aktiivsus ei pruugi alati tähendada organismile olulist funktsiooni, seega on vajalik edasine funktsionaalne testimine ja evolutsiooniline analüüs.

Ligipääs andmetele ja edasised sammud

ENCODE andmed on avatud juurdepääsuga ning neid saab kasutada edasiuuringuteks, võrgustikuanalüüsideks ja meditsiiniliste variantide interpreteerimiseks. Projekti tulemused on aluseks järgnevale tööle – nii ENCODE järgnevatele etappidele kui ka teistele projektidele (nt modENCODE mudelorganismide uurimiseks). Tulevikus on fookus veelgi detailsemal kontekstispetsiifilisel funktsiooni määramisel ning eksperimendipõhisel valideerimisel, mis eristab biokeemilist aktiivsust organismitasandi tähtsusest.

Selle tööga seotud uudised on järgmised:

• ENCODE avaldas ulatusliku kaartide kogumi, mis näitab promotereid, võimendajaid, transkriptsioonifaktorite seondumiskohti ja epigeneetilisi signatuure.
• Andmed tugevdavad arusaama, et regulatoorsed järjestused mängivad olulist rolli nii normaalses bioloogias kui ka haigustes.
• Uuringud kutsusid esile laialdase teadusliku arutelu selle üle, kuidas defineerida ja mõõta genoomi "funktsiooni", mis on omakorda suunanud täiendavaid eksperimente ja metodeid bioloogilise tähtsuse kinnitamiseks.
• ENCODE tulemused on loodud platvormiks, mille kaudu saab integreerida genoomika‑, epigeneetika‑ ja transkriptomikaandmeid, et paremini mõista geeniregulatsiooni keerukust.

Küsimused ja vastused

K: Mis on ENCODE?

K: Kes viis ENCODE töö läbi?

K: Mida nad inimese genoomi kohta teada said?

K: Kuidas nad oma uuringuid läbi viisid?

K: Mida need uuringud näitavad evolutsiooni kohta?

K: Kus avaldati nende tulemused?

Otsing