第一次看到细胞细胞的差异解释了罕见遗传疾病的症状
每个细胞在体内有两个基因,一个来自母亲,一个来自父亲。直到现在,研究人员缺乏工具来检查每一个细胞——准确读出每个基因组RNA。使用一种新技术,这种技术可以让研究人员这样做,一个跨学科的宾夕法尼亚大学团队研究了一种罕见的疾病,这两个基因组表达不同的整个身体,有时甚至在同一器官。他们发现在单细胞水平基因表达高度可变,完全不同于预期,目前揭示分子引起的罕见疾病甚至肿瘤的复杂性。
校合作的“这是一个很好的例子,”文章的第二作者玛丽莎Bartolomei说,博士,细胞和发育生物学教授佩雷尔曼医学院。她的同事co-first作家珍妮弗·m·卡利什,医学博士,博士,罕见的专家从费城儿童医院的发展障碍,co-first作者保罗·Ginart MD /博士生,和文章的第二作者Arjun Raj,博士,来自宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院,他设计了图像单个基因在个体的技术细胞。团队发表了他们的发现基因与发展。
“使用这种新技术,我们现在可以看到哪些细胞基因组表达,“Bartolomei说。
沉默的基因
对于大多数基因,人们继承两个副本,一个母亲和一个父亲。然而,对于这种现象称为印迹,后代继承的基因只有一个工作副本,并根据其父母的起源、基因的表达是由一个额外的甲基在卵子或精子形成身体收紧DNA所以不能阅读最终使RNA和蛋白质。
少量的基因印记,但正常发展的关键。印迹基因通常把父亲从母亲的染色体或染色体,但不能两者兼得。在人类印记紊乱,印迹基因要么是异常打开父系和母系的基因,或来自基因组异常关闭。异常表达可能与基因突变和错误的位置甲基(表观遗传学)的函数。
变化从细胞到细胞中基因表达相同的器官可能有助于解释为什么许多疾病表现出“马赛克”模式,用身体的不同部位表现出不同程度的疾病。这种大杂烩可能发生因为错误的印记。
印记缺陷会导致不恰当的表达通常沉默的基因,但它仍然是不清楚每一个细胞都在一个给定的器官表达异常的版本。“如果是这样,它将对人类产生深远的影响印迹障碍,”卡利什说。
很少的帮助
印迹障碍是罕见的。卡利什与二:艾综合症,下一个增长障碍发生在大约50000到100000人口的出生,个子小的症状和肢体,身体或面部不对称。综合症涉及under-methylation两个基因,段H19 IGF2。段H19编码的非编码RNA限制生长而IGF2是生长因子。在50%的情况下,艾综合征与一个印记错误11号染色体上的人收到两份印记马克的母亲,而不是分别来自父亲和母亲。艾比孩子有太多不会长信号(段H19)和生长信号的太少(IGF2)。其他印迹障碍是贝威二氏综合症,一种过度生长障碍通常在出生时,表现为儿童癌症的风险增加等先天性特征作为一个大型的舌头,出生体重大,四肢、身体器官,面部不对称。
这些症状显示一系列的症状,这是因为一些细胞在特定器官表达母性基因而其他人表达的基因。“但是妈妈的基因是那些限制细胞的增长,”卡利什说。“这意味着马赛克模式是正常细胞和异常细胞,破坏平衡的不会变信号,爸爸妈妈的生长信号,在同一个组织。这是占一个放大或层层肥肉器官在同一个人。”In some cases, patients may even have differently sized pairs of kidneys.
使用老鼠,团队在正常小鼠细胞基因组相比与艾综合症小鼠。在细胞群层面,他们问的单个细胞有正确的母本印记和细胞异常产妇段H19基因印记。在艾比老鼠产假和陪产段H19表示。
使用Raj的新技术,他们开发了一种分子探针来检测单个核苷酸的变化在妈妈和爸爸的基因组RNA表达表达细胞的细胞。这种方法测量特定表达式在单个细胞基因变异。在艾综合症的小鼠模型,他们发现一些细胞RNA从母亲和父亲的版本(abnormal-as看到艾患者),而其他细胞只有孕产妇RNA(正常)。
“我们表明,突变小鼠胚胎成纤维细胞是由两个亚种群:那些表达产假和陪产段H19版本(异常)和那些只长于孕产妇复制(正常),“Bartolomei说。“只有在后一种正常细胞人口Igf2表达检测。”
在艾比老鼠,所有细胞有相同的基因改变,但是并不是所有的细胞有相同的DNA甲基化模式,解释基因表达的表观遗传学的马赛克安排正常版本的基因的沉默中添加甲基卵子或精子的形成。
两个突变细胞的亚种群表现出截然不同的甲基化模式在各自基因组印迹的控制区域。段H19从孕产妇基因组表达的细胞正确的DNA甲基化模式而段H19孕产妇和父母表达的细胞基因组展出段H19 DNA甲基化的丧失。重要的是,他们也观察到相同的两个亚种群内也存在老鼠心脏组织,显示相同的缺陷在活的老鼠。
“这是第一次,表观遗传镶嵌现象已经证明在单个细胞水平,“Bartolomei说。”这意味着,表观遗传学的收紧或放松平衡的DNA来控制基因表达,什么时候司机镶嵌性的细胞群。我们的结果证明印记紊乱可以显示惊人的单细胞异质性和表明,这种异质性可能是表观遗传基础镶嵌性在人类印记紊乱,”Bartolomei说。
”这项工作中所示的表观遗传镶嵌性解释临床特征的光谱,我们看到在我们的病人都是有意义的,”卡利什说。“现在我们知道发生了什么。”
