دانشمندان از دیرباز به ارتباط بین وراثت و بیماری مشکوک بوده‌اند، کهن‌ترین شاهد به بقراط می‌رسد که مشاهده کرد برخی بیماری‌ها «در خانواده‌ها دیده می‌شوند». با این حال، در طول سال‌ها، دانشمندان به طور فزاینده‌ای در یافتن راه‌هایی برای درک منشأ این پیوندهای ژنتیکی در ژنوم انسان بهتر عمل کرده‌اند.

اکنون دانشمندان «مؤسسه زیست‌شناسی مولکولی اروپا» (EMBL) و همکارانشان، ابزاری توسعه داده‌اند که فراتر از فناوری‌های فعلی تک-سلولی عمل می‌کند و با ثبت همزمان تغییرات ژنومی و RNA در یک سلول واحد، در مقایسه با فناوری‌های قبلی، دقت و مقیاس‌پذیری را افزایش می‌دهد. این ابزار که قادر به تعیین واریانت‌ها در مناطق غیرکدکننده ژنوم است، روش مطالعه بخش‌هایی از DNA را که واریانت‌های مرتبط با بیماری به احتمال زیاد در آن‌ها رخ می‌دهند، متحول می‌کند. این ابزار تک-سلولی، با دقت و توان عملیاتی بالا، گامی مهم در ترسیم همبستگی‌های بین واریانت‌های ژنتیکی و بیماری محسوب می‌شود.

«دومینیک لیندنهوفر»، نویسنده ارشد مقاله‌ای جدید در مورد این فناوری با نام «SDR-Seq» که در مجله Nature Methods منتشر شده و پژوهشگر پسادکتری در گروه «اشتاینمتز» در EMBL است، می‌گوید: «این یک مشکل دیرینه بوده است، چرا که روش‌های تک-سلولی کنونی برای مطالعه DNA و RNA در یک سلول، توان عملیاتی محدود، فاقد حساسیت کافی و پیچیده بوده‌اند. در سطح تک-سلولی، می‌توانستید واریانت‌ها را در هزاران سلول بخوانید، اما تنها در صورتی که بیان شده بودند – یعنی فقط از مناطق کدکننده. ابزار ما بدون در نظر گرفتن محل قرارگیری واریانت‌ها عمل می‌کند و اعداد تک-سلولی را ارائه می‌دهد که امکان تحلیل نمونه‌های پیچیده را فراهم می‌کند.»

تفاوت مهم بین مناطق کدکننده و غیرکدکننده

ژنوم که از DNA ساخته شده است، دارای بخش‌های کدکننده و غیرکدکننده است. به ژن‌های موجود در مناطق کدکننده، اغلب به دلیل بیان شدن به RNA و دستور دادن به سلول برای ساخت پروتئین‌ها – بلوک‌های سازنده حیات -، کتابچه‌های راهنما یا دستورالعمل تشبیه شده‌اند.

بخش‌های غیرکدکننده حاوی بسیاری از عناصر تنظیمی مهم برای تکامل و عملکرد سلولی هستند. بیش از ۹۵٪ از واریانت‌های مرتبط با بیماری که در DNA رخ می‌دهند، در این مناطق غیرکدکننده هستند، با این حال ابزارهای تک-سلولی فعلی، توان عملیاتی و حساسیت لازم برای درک بهتر این مناطق وسیع را فراهم نکرده‌اند. تاکنون، دانشمندان نمی‌توانستند به طور همزمان و در مقیاس وسیع، DNA و RNA را از یک سلول واحد مشاهده کنند تا عملکرد واریانت‌های کد DNA و پیامدهای آن‌ها را تعیین کنند.

لیندنهوفر گفت: «در این فضای غیرکدکننده، می‌دانیم که واریانت‌های مرتبط با مواردی مانند بیماری مادرزادی قلب، اوتیسم و اسکیزوفرنی وجود دارند که به شدت بکر و ناشناخته هستند، اما مطمئناً اینها تنها بیماری‌ها نیستند. ما برای کاوش و درک اینکه کدام واریانت‌ها در زمینه ژنومی درون‌زاد خود عملکردی هستند و چگونگی مشارکت آن‌ها در پیشرفت بیماری را نیاز داشتیم.»

رمزگشایی بارکدهایی که سلول‌های منفرد را ردیابی می‌کنند

برای توالی‌یابی همزمان DNA و RNA در سطح تک-سلولی (SDR-seq)، دانشمندان از قطرات امولسیون روغن-آب استفاده کردند که هر قطره حاوی یک سلول منفرد بود تا هر دو مولکول DNA و RNA را تجزیه و تحلیل کنند. دانشمندان توانستند هزاران سلول را به طور همزمان در یک لوله آزمایش معین مطالعه کرده و مستقیماً تغییرات ژنتیکی را به فعالیت ژنی مرتبط سازند. اما این توسعه فناوری مستلزم غلبه بر چندین محدودیت بود و در نهایت شامل همکاری‌هایی از واحدهای زیست‌شناسی ژنوم و زیست‌شناسی ساختاری و محاسباتی EMBL، دانشکده پزشکی دانشگاه استنفورد و بیمارستان دانشگاه هایدلبرگ شد.

در ابتدا، همکاران از گروه‌های پژوهشی «جودیت زاوگ» و «کیونگ-مین نوه» در EMBL، روشی برای «ثابت کردن» سلول‌ها به منظور محافظت از RNA شکننده توسعه دادند. علاوه بر این، زیست‌شناسان محاسباتی از گروه پژوهشی «الیور اشتگل» در EMBL، ابزاری سفارشی برای بازکردن و رمزگشایی سیستم پیچیده بارکدینگ DNA مورد نیاز برای ساخت این فناوری و امکان تحلیل داده‌های بعدی ساختند. و اگرچه این رمزگشا به طور خاص برای این پروژه ساخته شد، دانشمندان انتظار دارند که بتوان آن را در تحقیقات دیگر نیز به کار برد.

پژوهشگران به ترتیب از گروه‌های پژوهشی «ولفگانگ هوبر» در EMBL و «ساشا دیتریش» در بیمارستان دانشگاه هایدلبرگ، در حال غربالگری سلول‌های لنفوم B-cell برای پروژه‌های تحقیقاتی دیگر بودند. در نتیجه، آن‌ها نمونه‌های اولیه بیمار با تعداد بالایی واریانت ژنومی برای کمک به آزمایش این ابزار ارائه کردند. لیندنهوفر سپس از این نمونه‌ها برای مشاهده ارتباط بین واریانت‌ها و بیماری استفاده کرد. او دریافت که سلول‌های سرطانی با واریانت‌های بیشتر، سیگنال‌های فعال شده بیشتری داشتند که به رشد سرطان کمک می‌کرد.

لیندنهوفر گفت: «ما از این محفظه‌های واکنش کوچک برای خوانش DNA و RNA در یک سلول منفرد استفاده می‌کنیم. این به ما امکان می‌دهد تا دقیقاً تشخیص دهیم که یک واریانت روی یک یا هر دو نسخه از یک ژن قرار دارد و اثرات آن را بر بیان ژن در همان سلول‌های منفرد اندازه‌گیری کنیم. با سلول‌های لنفوم B-cell، توانستیم نشان دهیم که بسته به ساختار واریانتی سلول‌ها، آن‌ها تمایل متفاوتی برای تعلق به حالت‌های سلولی متمایز داشتند. همچنین توانستیم ببینیم که افزایش واریانت‌ها در یک سلول، در واقع با حالت بدخیم‌تر لنفوم B-cell مرتبط بود.»

فرصت‌های متعدد از یک ابزار توالی‌یابی تک-سلولی

ابزار SDR-seq اکنون مقیاس، دقت و سرعت را در اختیار زیست‌شناسان ژنومیک قرار می‌دهد تا به درک بهتر واریانت‌های ژنتیکی کمک کند. در حالی که در نهایت می‌تواند نقش خود را در درمان طیف وسیعی از بیماری‌های پیچیده ایفا کند، ممکن است ابتدا به توسعه ابزارهای غربالگری بهتر برای تشخیص کمک کند.

«لارس اشتاینمتز»، نویسنده ارشد این مقاله، رئیس گروه در EMBL و استاد ژنتیک در دانشکده پزشکی دانشگاه استنفورد، گفت: «ما ابزاری داریم که می‌تواند واریانت‌ها را به بیماری مرتبط کند. این قابلیت، دامنه وسیعی از زیست‌شناسی را که اکنون می‌توانیم کشف کنیم، می‌گشاید. اگر بتوانیم درک کنیم که واریانت‌ها در واقع چگونه بیماری را تنظیم می‌کنند و آن فرآیند بیماری را بهتر بفهمیم، به این معنی است که فرصت بهتری برای مداخله و درمان آن داریم.»