นักวิจัยจาก Gladstone Institutes , UC San Francisco (UCSF) และ Stanford School of Medicineใช้เทคโนโลยีใหม่เพื่อศึกษายีนหลายพันตัวพร้อมกันภายในเซลล์ภูมิคุ้มกัน ได้สร้างแผนที่ที่มีรายละเอียดมากที่สุดว่าเครือข่ายยีนที่ซับซ้อนทำงานร่วมกันได้อย่างไร ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับยีนเหล่านี้เกี่ยวข้องกันอย่างไร ชี้ให้เห็นทั้งปัจจัยขับเคลื่อนพื้นฐานของการทำงานของเซลล์ภูมิคุ้มกันและโรคภูมิคุ้มกัน
Alex Marson, MD, PhD , ผู้อำนวยการสถาบัน Gladstone-UCSF กล่าวว่า “ผลลัพธ์เหล่านี้ช่วยให้เราสร้างแผนที่เครือข่ายที่เป็นระบบซึ่งสามารถใช้เป็นคู่มือเกี่ยวกับวิธีการทำงานของเซลล์ภูมิคุ้มกันของมนุษย์และวิธีที่เราสามารถออกแบบโครงสร้างเหล่านี้เพื่อประโยชน์ของเรา ของ Genomic Immunology และผู้เขียนร่วมของการ ศึกษา ฉบับใหม่ซึ่งตีพิมพ์ใน Nature Genetics
การศึกษาซึ่งดำเนินการร่วมกับ Jonathan Pritchard, PhD , ศาสตราจารย์ด้านพันธุศาสตร์และชีววิทยาที่ Stanford School of Medicine มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจว่ายีนของบุคคลนั้นสัมพันธ์กับความเสี่ยงต่อโรคภูมิต้านตนเองอย่างไร
ข้อมูลเชิงลึกด้านภูมิคุ้มกันจาก CRISPR
นักวิจัยทราบดีว่าเมื่อทีเซลล์ของระบบภูมิคุ้มกัน—เซลล์เม็ดเลือดขาวที่สามารถต่อสู้กับการติดเชื้อและมะเร็ง—ถูกกระตุ้น ระดับของโปรตีนนับพันภายในเซลล์จะเปลี่ยนไป พวกเขายังรู้ด้วยว่าโปรตีนหลายชนิดเชื่อมต่อถึงกัน การเปลี่ยนแปลงในระดับของโปรตีนหนึ่งสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในระดับของโปรตีนอีกชนิดหนึ่งได้
นักวิทยาศาสตร์เป็นตัวแทนของความเชื่อมโยงระหว่างโปรตีนและยีนในฐานะเครือข่ายที่ดูเหมือนแผนที่รถไฟใต้ดิน การทำแผนที่เครือข่ายเหล่านี้มีความสำคัญเนื่องจากสามารถช่วยอธิบายได้ว่าทำไมการกลายพันธุ์ในยีนภูมิคุ้มกันที่แตกต่างกันสองยีนจึงอาจนำไปสู่โรคเดียวกัน หรือวิธีที่ยาอาจส่งผลต่อโปรตีนภูมิคุ้มกันหลายชนิดในคราวเดียว
ในอดีต นักวิทยาศาสตร์ได้ทำแผนที่ส่วนหนึ่งของเครือข่ายเหล่านี้โดยการกำจัดยีนของโปรตีนแต่ละชนิดออกทีละตัว และศึกษาผลกระทบต่อยีนและโปรตีนอื่นๆ ตลอดจนการทำงานของเซลล์ภูมิคุ้มกันโดยรวม แต่แนวทาง “ปลายน้ำ” แบบนี้เผยให้เห็นภาพเพียงครึ่งเดียว
“เราต้องการดูสิ่งที่ควบคุมยีนภูมิคุ้มกันที่สำคัญจริงๆ” Jacob Freimer, PhD, เพื่อนดุษฎีบัณฑิตในห้องปฏิบัติการ Marson และ Pritchard และเป็นผู้เขียนบทความฉบับแรกกล่าว “วิธีการต้นน้ำแบบนี้ไม่เคยทำมาก่อนในเซลล์ปฐมภูมิของมนุษย์”
วิธีการต้นน้ำนี้จะเหมือนกับการทำแผนที่เส้นทางรถไฟใต้ดินโดยระบุศูนย์กลางหลักก่อนแล้วจึงค้นหาเส้นทางไปยังสถานีหลักเหล่านั้น แทนที่จะสร้างเครือข่ายทั้งหมดอย่างระมัดระวังจากสถานีดาวเทียมที่แตกต่างกัน
Freimer และผู้ทำงานร่วมกันหันไปใช้ระบบแก้ไขยีน CRISPR-Cas9 ซึ่งช่วยให้พวกเขาสามารถทำลายยีนได้หลายพันตัวในคราวเดียว พวกเขาจดจ่ออยู่กับยีนที่สร้างโปรตีนชนิดหนึ่งที่เรียกว่าปัจจัยการถอดรหัส ปัจจัยการถอดความคือสวิตช์ที่เปิดหรือปิดยีนอื่นๆ และสามารถควบคุมยีนจำนวนมากได้ในคราวเดียว จากนั้นนักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาผลกระทบของการรบกวนปัจจัยการถอดรหัสเหล่านี้ในยีนภูมิคุ้มกัน 3 ยีนที่ทราบว่ามีบทบาทสำคัญในการทำงานของเซลล์ T ได้แก่ IL2RA, IL-2 และ CTLA4 ยีนทั้งสามนี้เป็นฮับที่ยึดความพยายามในการทำแผนที่ต้นน้ำ
Freimer กล่าวว่า “สิ่งนี้ช่วยให้เราผ่านปัจจัยการถอดรหัสมากกว่าหนึ่งพันปัจจัยและดูว่าปัจจัยใดบ้างที่มีผลกระทบต่อยีนภูมิคุ้มกันเหล่านี้
เครือข่ายที่เชื่อมต่อถึงกัน
นักวิจัยสงสัยว่าพวกเขาจะพบความเชื่อมโยงระหว่างยีนที่ควบคุม IL2RA, IL-2 และ CTLA แต่พวกเขารู้สึกประหลาดใจกับขอบเขตของการเชื่อมต่อที่พวกเขาค้นพบ ในบรรดาหน่วยงานกำกับดูแล 117 แห่งพบว่าควบคุมระดับของยีนอย่างน้อยหนึ่งในสามยีน 39 ตัวควบคุมสองในสามและ 10 ตัวควบคุมปรับระดับของยีนทั้งสามพร้อมกัน
เพื่อช่วยกรอกแผนที่ยีนภูมิคุ้มกันให้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น ทีมต่อไปได้ใช้วิธีดาวน์สตรีมแบบดั้งเดิมมากขึ้น โดยนำตัวควบคุมที่ระบุ 24 ตัวออกจากทีเซลล์เพื่อแสดงรายการยีนทั้งหมดที่พวกเขาควบคุม นอกเหนือจาก IL2RA, IL-2 และ CTLA4 .
นักวิจัยพบว่าหน่วยงานกำกับดูแลหลายแห่งควบคุมซึ่งกันและกัน ตัวอย่างเช่น ปัจจัยการถอดรหัส IRF4 เปลี่ยนแปลงกิจกรรมของหน่วยงานกำกับดูแลอื่นๆ 9 แห่ง และถูกควบคุมโดยหน่วยงานกำกับดูแลอีก 15 แห่ง IL2RA ควบคุมทั้งหมด 24 ระดับ ในกรณีอื่นๆ หน่วยงานกำกับดูแลเองก็ถูกควบคุมโดย IL2RA ซึ่งเรียกว่า “ลูปการตอบรับ”
เช่นเดียวกับในเครือข่ายรถไฟใต้ดินที่มีความหนาแน่นสูง แต่ละศูนย์กลางเชื่อมต่อไปยังอีกหลายแห่ง และการเชื่อมต่อทั้งสองทาง
“มีหลายกรณีที่ปัจจัยการถอดรหัสควบคุม IL2RA แต่แล้ว IIL2RA เองก็ควบคุมปัจจัยการถอดรหัสเดียวกันด้วย” Freimer กล่าว “ดูเหมือนว่าฟีดแบ็คลูปและเครือข่ายการกำกับดูแลจะเชื่อมโยงถึงกันมากกว่าที่เราคิดไว้ก่อนหน้านี้”
กลับไปที่ผู้ป่วย
ในบรรดารายการยีนทั้งหมดที่ควบคุมโดยหน่วยงานกำกับดูแลที่ศึกษา ทีมวิจัยพบว่ามียีนจำนวนมากที่เชื่อมโยงกับโรคภูมิคุ้มกันแล้ว รวมถึงโรคปลอกประสาทเสื่อมแข็ง โรคลูปัส และโรคข้ออักเสบรูมาตอยด์
แผนที่ใหม่ช่วยเผยให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมที่เกี่ยวข้องกับโรคเหล่านี้สามารถปรากฏในยีนต่างๆ ได้อย่างไร แต่เนื่องจากการเชื่อมโยงด้านกฎระเบียบระหว่างยีน กลับมีผลสุทธิเช่นเดียวกันกับเซลล์ นอกจากนี้ยังชี้ไปที่กลุ่มยีนสำคัญๆ ที่อาจตกเป็นเป้าหมายของยาเพื่อรักษาโรคภูมิคุ้มกัน การศึกษาชี้ให้เห็นว่ามีเครือข่ายศูนย์กลางของยีนที่สำคัญ และเมื่อเครือข่ายนี้ถูกรบกวน ก็สามารถเพิ่มความเสี่ยงต่อโรคของบุคคลได้
“เมื่อเราเข้าใจวิธีที่เครือข่ายและเส้นทางเชื่อมต่อกัน มันเริ่มช่วยให้เราเข้าใจกลุ่มยีนที่สำคัญซึ่งจำเป็นต้องทำงานอย่างเหมาะสมเพื่อป้องกันโรคของระบบภูมิคุ้มกัน” Marson กล่าว
เกี่ยวกับโครงการวิจัย: บทความ “การค้นพบอย่างเป็นระบบและการรบกวนยีนควบคุมในเซลล์ T ของมนุษย์เผยให้เห็นสถาปัตยกรรมของเครือข่ายภูมิคุ้มกัน” ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Genetics เมื่อวันที่ 11 กรกฎาคม พ.ศ. 2565 ผู้เขียนคนอื่นๆ ได้แก่ Christian Garrido of Gladstone; Oren Shaked และ Jessica Cortez จาก UCSF; และ Sahin Naqvi, Nasa Sinnott-Armstrong, Arwa Kathiria, Amy Chen และ William Greenleaf จาก Stanford School of Medicine งานและผู้แต่งได้รับการสนับสนุนจากสถาบันสุขภาพแห่งชาติ (R01HG008140, RM1-HG007735, T32AI125222 และ 5F32GM135996-500 02); กองทุน Burroughs Wellcome; ชาน ซักเคอร์เบิร์ก Biohub; สถาบันจีโนมนวัตกรรม; มูลนิธิบริจาคอเมริกัน; สถาบันวิจัยมะเร็ง; ครอบครัวจอร์แดน; บาร์บาร่าบาการ์; สถาบัน Parker สำหรับภูมิคุ้มกันมะเร็ง; เฮเลน เฮย์ วิทนีย์ มิตรภาพ; ทุนบัณฑิตวิทยาลัยสแตนฟอร์ด; และ Stanford Center for Computational, Evolutionary และ Human Genomics Fellowship
