W ciągu ostatnich 15 lat badacze zidentyfikowali setki regionów ludzkiego genomu powiązanych z ryzykiem zawału serca. Naukowcom brakuje jednak skutecznych sposobów badania molekularnego powiązania tych wariantów genetycznych z chorobami układu krążenia, co ogranicza wysiłki na rzecz opracowania leków.

Aby usprawnić analizę setek wariantów genetycznych związanych z chorobą wieńcową (CAD), zespół naukowców pod kierownictwem badaczy z Brigham and Women’s Hospital we współpracy z Broad Institute of MIT oraz Harvard i Stanford Medicine połączył wiele technik sekwencjonowania i eksperymentalnych zmapowanie związku między znanymi wariantami CAD a szlakami biologicznymi, na które wpływają.

W badaniu opublikowanym w Naturabadacze zastosowali tę technikę do komórek śródbłonka wyściełających naczynia krwionośne. Zespół odkrył, że kluczowy mechanizm biologiczny związany z rzadką chorobą naczyniową może wpływać na ryzyko CAD.

„Badanie, jak setki regionów genomu, pojedynczo lub w grupach, wpływają na ryzyko zawału serca, może być żmudnym procesem” – powiedział korespondent Rajat Gupta, lekarz medycyny z oddziałów genetyki i medycyny sercowo-naczyniowej w Brigham and Women’s Hospital.

„Zdecydowaliśmy, że potrzebujemy lepszych map pokazujących, jak warianty genetyczne wpływają na ekspresję genów i jak geny wpływają na funkcje biologiczne. Gdybyśmy mogli połączyć te dwa rodzaje map, moglibyśmy lepiej powiązać wariant z funkcją biologiczną”.

Technika mapowania opracowana przez naukowców nazywa się podejściem Variant-to-Gene-to-Program (V2G2P).

Po pierwsze, we współpracy z naukowcami ze Stanford Medicine, naukowcy dopasowali loci CAD zidentyfikowane wcześniej w badaniach asocjacyjnych obejmujących cały genom z genami, na które wpływają te warianty genetyczne. Następnie wykorzystali technologię CRISPRi-Perturb-seq opracowaną w Broad Institute na MIT i Harvardzie, aby „usunąć” tysiące genów związanych z CAD, pojedynczo i zbadać, jak każda delecja wpływa na ekspresję wszystkich genów inne geny w tej komórce.

W sumie badacze zsekwencjonowali 215 000 komórek śródbłonka, aby ustalić, w jaki sposób 2300 „delecji” wpłynęło na ekspresję 20 000 innych genów w każdej komórce. Dzięki zastosowaniu algorytmów uczenia maszynowego udało im się zidentyfikować mechanizmy biologiczne, które konsekwentnie wydawały się być powiązane z wariantami związanymi z CAD.

W szczególności naukowcy odkryli, że 43 z 306 wariantów związanych z CAD w komórkach śródbłonka powiązano z genami szlaku sygnalizacyjnego malformacji jamistych mózgu (CCM).

CCM to rzadka, wyniszczająca choroba naczyniowa atakująca mózg, ale badacze postawili hipotezę, że mniejsze, subtelniejsze mutacje w genach zaangażowanych w CCM mogą zwiększać ryzyko CAD, wpływając na zapalenie naczyń, zakrzepicę i integralność strukturalną śródbłonka. Co więcej, badacze podkreślili wcześniej nierozpoznaną rolę genu TLNRD1 w regulacji szlaku CCM wraz z innymi znanymi regulatorami CCM i postawili hipotezę, że TLNRD1 może być zaangażowany zarówno w CAD, częstą chorobę, jak i CCM, rzadką.

W przyszłości naukowcy mają nadzieję zbadać pacjentów ze śródbłonkowymi wariantami CAD związanymi z chorobą wieńcową, a także pacjentów z CCM, aby określić, czy istnieją odrębne możliwości leczenia tych populacji. W przypadku tego ostatniego badacze są zainteresowani ustaleniem, czy dalsze badania nad TLNRD1 mogą prowadzić do lepszych form testów genetycznych i stratyfikacji ryzyka.

W badaniu skupiono się na komórkach śródbłonka, które wyścielają naczynia krwionośne i jak się coraz częściej uważa, że ​​wpływają na ryzyko choroby wieńcowej. Zbadano mechanizmy śródbłonkowe niezwiązane z metabolizmem lipidów (znany czynnik ryzyka CAD w przypadku skutecznych terapii, takich jak statyny) w nadziei na odkrycie innych mechanizmów powodujących ryzyko CAD, dla których można jeszcze opracować terapie.

„Teraz, gdy wiemy więcej o tym zbiorze wariantów komórek śródbłonka, możemy wrócić do pacjentów, którzy je mają, aby sprawdzić, czy mają różne cechy kliniczne lub inaczej reagują na stosowane przez nas już terapie” – powiedziała Gupta.

„Koncentrujemy się również na implikacjach tego badania dla pacjentów z CCM. To był zbieg okoliczności, że na podstawie tego badania genetycznego zaprojektowanego do badania choroby wieńcowej powiązaliśmy nowe geny odpowiedzialne za rzadką chorobę naczyniową, CCM. Być może teraz będziemy mogli lepiej opisać czynniki ryzyka i ścieżki, które nim kierują.”

Oprócz CAD i CCM naukowcy podkreślają, że podejście V2G2P można wykorzystać do badania mechanizmów biologicznych powodujących każdą chorobę, w przypadku której typ komórek odpowiadający tej chorobie można zmodyfikować genetycznie w laboratorium.

„To niezwykłe, że to bezstronne, systematyczne podejście – w którym usunęliśmy wszystkie potencjalne geny CAD w jednym eksperymencie – wskazało nam bezpośrednio nowe geny i ścieżki, które umknęły uwadze. To podejście będzie potężną strategią w badaniu wielu innych chorób, w których genetyczne czynniki ryzyka pozostają do odkrycia” – powiedział współautor korespondencji, dr Jesse Engreitz, adiunkt genetyki w Stanford Medicine.