Genetikai, ieškantys branduolinio genomo mutacijų, kurios prisideda prie ligų atsiradimo, jau seniai rėmėsi principu, vadinamu suvaržymo modeliavimu, kuris leidžia tyrėjams įvertinti selektyvaus slėgio, dėl kurio išvalomi tam tikri genų variantai, laipsnį. Tačiau nors apribojimų modeliai buvo labai veiksmingi nustatant ligas sukeliančius variantus branduoliniame genome, jie nebuvo naudingi mitochondrijų genomo mutacijoms, nes tai yra genetikų ir šeimų, gyvenančių su genetinėmis ligomis, nusivylimo šaltinis.
Tačiau Jeilio vadovaujama komanda sukūrė proveržio metodą, suteikiantį vilties. Nauja struktūra – aprašyta žurnale Gamta– suteikia genetikams ilgai reikalingą įrankį nustatyti, kurios mitochondrijų DNR (mtDNR) mutacijos prisideda prie ligos.
Daugiadalykinei komandai vadovavo Jeilio genetikai Nicole Lake ir Monkol Lekas.
„Turėjome nedaug priemonių, kurios padėtų mums nustatyti ligas sukeliančias mutacijas mtDNR“, – sakė Jeilio medicinos mokyklos (YSM) ir Jeilio genominės sveikatos centro genetikos profesorius Lake'as. „Nors branduolinio genomo yra daugybė, šis įrankis pirmą kartą pateikia žemėlapį, kurios mitochondrijų genomo vietos yra svarbiausios sveikatai ir ligoms.”
Mitochondrijos yra ląstelių struktūros, kurios yra ląstelių energijos gamybos vieta. Juose yra DNR, paveldėta iš motinos, ir jie yra esminis genomo pogrupis. Mitochondrijos nustato, ar ląstelė gyvena, ar miršta per užprogramuotą ląstelių mirtį arba apoptozę.
Bandymai sukurti mitochondrijų suvaržymo modelį buvo sužlugdyti dėl kelių veiksnių, įskaitant palyginti mažą mitochondrijų genomo dydį ir unikalias mtDNR savybes.
Norėdami tai išspręsti, Jeilio komanda sukūrė suvaržymo modelį, kuriame naudojama visiškai nauja metodika. Pirmiausia jie sukūrė mitochondrijų mutacijų modelį, kuris pritaikė „sudėtinės tikimybės“ modelio versiją, kad būtų galima analizuoti naujai atsiradusių genetinių mutacijų rinkinį, kuris padėjo tyrėjams suprasti mutacijų tikimybę skirtingose genomo vietose.
Tai savo ruožtu leido jiems sukurti žemėlapį, rodantį, kurie regionai buvo labiau linkę į genetines mutacijas, susijusias su liga.
Modelis grindžiamas ankstesniu Lake ir Leko tyrimu, kuris taip pat yra YSM genetikos profesoriaus asistentas, kuriam jie sukūrė 56 434 asmenų mitochondrijų duomenų rinkinį, bendradarbiaudami su Leko kolegomis iš MIT ir Harvardo plačiojo instituto.
Kai tyrėjai įtraukė tuos pačius mitochondrijų duomenis į naująjį modelį, jie sugebėjo kiekybiškai įvertinti mtDNR apribojimą arba pokyčių nebuvimą, patvirtindami naujojo modelio veiksmingumą nustatant regionus, kuriuose yra mutacijų, prisidedančių prie mitochondrijų ligos.
Siekdama dar labiau patvirtinti modelį, komanda papildė savo duomenis kito didelio genominio projekto – JK Biobanko, kuriame yra pusės milijono dalyvių genetinės ir sveikatos informacijos. Kai jie pritaikė savo modelį šio išplėsto asmenų, sergančių mitochondrijų liga, variantams, jų suvaržymo modelis pasitvirtino.
Tai, pasak jų, parodė, kad šį modelį gali naudoti kiti tyrėjai, siekdami paspartinti pagrindinės ligos mtDNR variacijos atradimą.
„Kalbama apie tvirto modelio kūrimą; tai galima patikrinti“, – sakė Lekas. „Tai patikima ir patikimai nuspėjama.”
Daugelis mtDNR aptiktų variantų vadinami „neaiškios reikšmės variantais“, o tai vargina genetikus ir šiomis ligomis sergančių žmonių šeimas, sakė Lake. „Tikiuosi, kad šiame dokumente pateikta priemonė suteiks mums reikalingos informacijos, užuominų, kad sumažintume šiuos neapibrėžtumus analizuojant mtDNR“, – sakė ji.
Nors proveržis vargu ar yra atsitiktinumo reikalas, Lake'as įvardija daugybę linksmų pokalbių, padedančių komandai pasiekti „eurekos“ akimirką.
2020 m., likus maždaug savaitei iki COVID-19 pandemijos sukėlimo visame pasaulyje, Lekas paminėjo iššūkius, su kuriais tyrėjai susidūrė Harvardo skaičiavimo genomikui ir genetikui Shamilui Sunyajevui. Sunyajevas, kuris buvo pakviestas kalbėti Jeilio genetikos katedroje, pastebėjo panašią problemą, su kuria jis ir jo kolegos iš Broad Institute susidūrė tirdami vėžio genetiką – iššūkį, kurį jie sprendė naudodami sudėtinį tikimybės modelį.
„Visa pagarba Nikolei“, – pasakė Lekas. „Aš pasakiau, ką tu manai? ir ji bėgo su juo“.
Pasauliui užsidarius, Leikas ir Lekas pradėjo virtualiai susitikti su Sunyajevu, kuris išklausė jų idėjas ir kėlė klausimus. Vykstant projektui, jie pasitelkė Johnso Hopkinso universiteto genetinės medicinos profesorių Daną Arkingą ir kitus ekspertus, kad padėtų analizuoti jų mtDNA duomenų rinkinį, kuris dabar yra gnomAD, didelės atvirojo kodo tarptautinės genominės duomenų bazės dalis, ir duomenis. iš JK Biobanko.
„Mes sukūrėme mutacijos modelį, kuris buvo tikrai nuspėjamas ir davė mums rezultatus, kurių tikėjomės pamatyti”, – sakė Lake. „Tuomet mes tikrai žinojome, kad turime kelią į priekį.
Lekas pridūrė: „Įsitikinome, kad įtraukėme kuo daugiau perspektyvų. Geriausias darbas atliekamas bendradarbiaujant“.
Lake'as mano, kad jų proveržio modelis yra pirmosios kartos įrankis ir džiaugiasi, kad jis bus laisvai prieinamas viso pasaulio mokslininkams.
„Tai svarbi pažanga, tačiau yra įdomių galimybių plėstis“, – sakė ji. „Tai buvo šiek tiek nepastebėta mūsų genomo dalis ir tai yra mūsų genomo dalis, kuri tikrai svarbi. Ten galima daug daugiau išmokti.”