Nuovo metodo WaveTAD avanza lo studio del DNA in 3D

Nelle nostre cellule, il DNA non è solo una lunga catena dritta. È piegato e organizzato in uno spazio tridimensionale, che gioca un ruolo chiave nell'espressione dei geni. Questa Struttura è intricata e stratificata, coinvolgendo anelli, domini noti come domini associati topologicamente (TAD) e territori che aiutano diverse parti del DNA a interagire tra loro. Queste interazioni sono essenziali per regolare l'attività dei geni, specialmente durante lo sviluppo e in tessuti specifici.

Cambiamenti in questa organizzazione 3D possono portare a problemi, inclusi problemi di sviluppo e malattie come il cancro. Tuttavia, non tutte le attività geniche dipendono da queste caratteristiche strutturali, poiché alcuni geni possono funzionare indipendentemente da esse.

Recenti progressi nella tecnologia hanno permesso ai ricercatori di studiare queste strutture in profondità, usando metodi che catturano le interazioni tra parti distanti del DNA. Queste interazioni vengono mappate per creare matrici di contatto, che poi rivelano come il DNA è disposto nello spazio 3D. Tuttavia, queste matrici hanno spesso lacune e rumore, il che può rendere difficile l'interpretazione.

#Le limitazioni dei metodi attuali

La maggior parte dei metodi attuali per analizzare l'organizzazione 3D del DNA ha delle limitazioni. La risoluzione con cui operano è predeterminata, il che significa che potrebbero perdere dettagli importanti. Ad esempio, risoluzioni maggiori generalmente portano a meno strutture rilevate, mentre risoluzioni minori possono produrre troppo rumore. Questa sfida è amplificata negli studi su singole cellule, dove spesso sono necessarie risoluzioni più elevate.

Inoltre, metodi diversi possono dare risultati diversi a seconda della risoluzione scelta. Questa variabilità rende difficile confrontare i risultati tra studi e può portare a conclusioni fuorvianti. Inoltre, molti strumenti esistenti non forniscono un modo per valutare quantitativamente la forza delle strutture identificate, ostacolando confronti efficaci tra diversi studi o campioni.

#Un nuovo approccio: WaveTAD

Per superare queste sfide, è stato sviluppato un nuovo metodo chiamato WaveTAD. Questo approccio innovativo usa una tecnica nota come trasformate wavelet per analizzare come le frequenze di contatto cambiano nel Genoma. A differenza dei metodi precedenti, WaveTAD non dipende da una risoluzione preimpostata.

Le trasformate wavelet sono state utilizzate per decenni in campi come la fisica e la geologia per analizzare segnali. Quando applicate ai dati genomici, possono scomporre segnali complessi in componenti più piccole, rendendo più facile estrarre informazioni significative, anche in set di dati rumorosi. Con WaveTAD, i ricercatori possono identificare strutture come TAD e anelli in modo accurato, senza dover specificare una risoluzione in anticipo.

Questo nuovo metodo produce un insieme di probabilità che riflettono la forza e la frequenza delle strutture identificate. Questo permette ai ricercatori di valutare quanto siano stabili queste strutture e come la loro presenza varia tra diversi campioni, inclusi quelli con tipi cellulari misti.

#Come funziona WaveTAD

Il processo WaveTAD inizia mappando i dati di sequenziamento del DNA al genoma di riferimento. Dopo aver filtrato i dati per concentrarsi sulle interazioni rilevanti, si calcola la copertura di queste interazioni. La trasformata wavelet viene quindi applicata a questi dati di copertura, identificando luoghi dove ci sono significativi aumenti nella frequenza di contatto.

Attraverso un approccio in due fasi, WaveTAD identifica potenziali confini del TAD e anelli. Assegna anche probabilità a questi confini, aiutando a capire quanto è probabile che una certa struttura sia stabile. Il metodo include passaggi per filtrare le chiamate meno significative, assicurando che vengano riportate solo le strutture più affidabili.

La nuova strategia consente di identificare strutture complesse all'interno del genoma, inclusi casi in cui anelli esistono all'interno di altri anelli. Non essendo vincolato a una risoluzione specifica, WaveTAD cattura l'intero spettro delle variazioni strutturali presenti nei dati.

#Vantaggi di WaveTAD

I vantaggi di WaveTAD sono significativi. Innanzitutto, può identificare con precisione TAD e altre strutture anche in set di dati dove il segnale è debole. È meno sensibile alle variazioni nella profondità di lettura, il che significa che funziona bene anche quando sono disponibili meno punti dati.

In secondo luogo, WaveTAD può fornire una visione più olistica dell'architettura genomica. Permette di rilevare interazioni che avvengono a vari livelli, rendendo possibile riconoscere relazioni che altrimenti potrebbero essere trascurate.

Infine, il metodo migliora la riproducibilità dei risultati. Più prove utilizzando WaveTAD portano a risultati coerenti tra diversi set di dati, aumentando la fiducia nei risultati. Questa coerenza è cruciale per fare interpretazioni biologiche significative dai dati.

#Studi di caso: applicazione di WaveTAD

Per dimostrare la sua efficacia, WaveTAD è stato applicato a vari set di dati.

#Esempio 1: confronto tra diverse specie

Negli studi che confrontano i TAD tra specie come mosche della frutta, topi e esseri umani, WaveTAD è stato in grado di identificare TAD con dimensioni e frequenze coerenti. Questo confronto diretto è vantaggioso perché riduce le possibilità di errata interpretazione dovuta a differenze di risoluzione.

#Esempio 2: analisi di popolazioni cellulari miste

WaveTAD è stato testato su popolazioni miste di cellule per vedere quanto bene identifica TAD presenti solo in una frazione delle cellule. Anche quando solo un numero limitato di letture proveniva da un tipo cellulare specifico, WaveTAD ha rilevato con successo i TAD, indicando la sua robustezza in campioni eterogenei.

#Esempio 3: esame delle fasi dello sviluppo

Quando si indagava lo sviluppo precoce negli embrioni, WaveTAD ha rivelato che molti TAD erano presenti prima dell'attivazione del genoma zigotico, un periodo precedentemente ritenuto privo di strutture organizzate. Questa scoperta suggerisce che alcune caratteristiche architettoniche del genoma si stabiliscono prima di quanto si pensasse.

#Esempio 4: indagine sugli stati di malattia

Nella ricerca focalizzata sull'infezione da COVID-19, WaveTAD è stato in grado di mostrare che il virus interrompe l'organizzazione 3D delle strutture genomiche legate alla funzione olfattiva. Questa intuizione contribuisce alla nostra comprensione di come il virus influisce sull'espressione genica in modi che portano a sintomi come la perdita dell'olfatto.

#Esempio 5: studio dell'espressione genica specifica per sesso

WaveTAD è stato utilizzato anche per studiare come l'arrangiamento 3D del DNA differisce tra mosche maschili e femminili. Il metodo ha dimostrato che, mentre la presenza di specifici TAD era simile, la loro forza variava significativamente, suggerendo una relazione quantitativa tra espressione genica e struttura della cromatina.

#Conclusione

In generale, WaveTAD rappresenta un avanzamento significativo nello studio dell'organizzazione 3D del genoma. La sua natura senza risoluzione, insieme alla sua capacità di quantificare la frequenza e la stabilità di TAD e anelli, apre nuove strade per la ricerca biologica. Affinando la nostra comprensione dell'architettura genomica, WaveTAD migliora la nostra capacità di indagare la regolazione genica, lo sviluppo e le malattie.

Questo nuovo approccio è destinato a facilitare confronti più accurati tra diversi studi e specie, fornendo un quadro più chiaro di come la struttura della cromatina influenzi i processi biologici. Il successo di WaveTAD in varie applicazioni evidenzia il suo potenziale di rimodellare la nostra comprensione delle complesse interazioni all'interno del genoma, portando infine a nuove intuizioni in genetica e biologia molecolare.