Η γενετική γεωμετρία παίρνει μορφή
Οι πυρήνες από μισό εκατομμύριο ανθρώπινα κύτταρα μπορούσαν όλοι να χωρέσουν μέσα σε έναν μόνο σπόρο παπαρούνας. Ωστόσο, μέσα σε κάθε πυρήνα υπάρχει γονιδιωματικός μηχανισμός που είναι απίστευτα τεράστιος, τουλάχιστον από μοριακή άποψη. Έχει δισεκατομμύρια μέρη, πολλά από τα οποία χρησιμοποιούνται για την ενεργοποίηση και τη σίγαση γονιδίων — μια διάταξη που επιτρέπει σε μεμονωμένα κύτταρα να εξειδικεύονται ως κύτταρα εγκεφάλου, καρδιακά κύτταρα και περίπου 200 άλλους διαφορετικούς τύπους κυττάρων. Επιπλέον, το γονιδίωμα κάθε κυττάρου είναι atwitter με εκατομμύρια κινητά κομμάτια που σωρεύουν σε όλο τον πυρήνα και κολλάνε εδώ κι εκεί για να τροποποιήσουν το γενετικό πρόγραμμα. Κάθε τόσο, η γονιδιωματική μηχανή αναπαράγει τον εαυτό της.
Στην καρδιά του λιλιπούτειου μηχανισμού του ανθρώπινου γονιδιώματος βρίσκεται το DNA των δύο μέτρων που χρειάζεται για να ενσωματωθούν τα 3 δισεκατομμύρια γενετικά γράμματα ή νουκλεοτίδια ενός ατόμου. Τεντώστε όλα τα γονιδιώματα σε όλα τα τρισεκατομμύρια κύτταρα του σώματός σας, λέει ο Tom Misteli, επικεφαλής της ομάδας κυτταρικής βιολογίας γονιδιωμάτων στο Εθνικό Ινστιτούτο Καρκίνου στο Bethesda, Md., και θα έκανε 50 ταξίδια μετ' επιστροφής στον ήλιο. Από το 1953, όταν ο James Watson και ο Francis Crick αποκάλυψαν τη δομή του DNA, οι ερευνητές έχουν σημειώσει θεαματική πρόοδο στην ορθογραφία αυτών των γενετικών γραμμάτων. Αλλά αυτή η προβολή αποθήκευσης πληροφοριών δεν αποκαλύπτει σχεδόν τίποτα σχετικά με το τι κάνει συγκεκριμένα γονίδια να ενεργοποιούνται ή να απενεργοποιούνται σε διαφορετικές χρονικές στιγμές, σε διαφορετικούς τύπους ιστών, σε διαφορετικές στιγμές της ημέρας ή της ζωής ενός ατόμου.
Για να καταλάβουμε αυτές τις διεργασίες, πρέπει να καταλάβουμε πώς αυτά τα γενετικά γράμματα περιστρέφονται συλλογικά, κουλουριάζονται, τσιμπούν σε βρόχους, συναθροίζονται σε τομείς και σφαιρίδια και διαφορετικά υποθέτουν μια αρχιτεκτονική σε όλο τον πυρήνα. «Η ομορφιά του DNA έκανε τους ανθρώπους να ξεχάσουν τη δομή του γονιδιώματος σε μεγαλύτερη κλίμακα», δήλωσε ο Job Dekker, μοριακός βιολόγος στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου της Μασαχουσέτης στο Worcester, ο οποίος έχει κατασκευάσει μερικά από τα πιο σημαντικά εργαλεία για την αποκάλυψη της γονιδιωματικής γεωμετρίας. «Τώρα επιστρέφουμε στη μελέτη της δομής του γονιδιώματος γιατί συνειδητοποιούμε ότι η τρισδιάστατη αρχιτεκτονική του DNA θα μας πει πώς τα κύτταρα χρησιμοποιούν πραγματικά τις πληροφορίες. Τα πάντα στο γονιδίωμα έχουν νόημα μόνο σε 3-D."
Οι αρχαιολόγοι του γονιδιώματος όπως ο Dekker έχουν εφεύρει και έχουν αναπτύξει τεχνικές μοριακής ανασκαφής για την αποκάλυψη της αρχιτεκτονικής του γονιδιώματος με την ελπίδα να διακρίνουν τελικά πώς όλη αυτή η δομή βοηθά στην ενορχήστρωση της ζωής στη Γη. Την τελευταία δεκαετία περίπου, έχουν εκθέσει μια ένθετη ιεραρχία δομικών μοτίβων σε γονιδιώματα που είναι εξίσου στοιχειώδη για την ταυτότητα και τη δραστηριότητα κάθε κυττάρου με τη διπλή έλικα.
Ένα καλύτερο γενετικό μικροσκόπιο
Μια στενή έρευνα της γονιδιωματικής μηχανής έχει έρθει εδώ και πολύ καιρό. Ο πρώτος Βρετανός μικροσκόπος Robert Hooke επινόησε τη λέξη cell ως αποτέλεσμα των παρατηρήσεών του στα μέσα του 17ου αιώνα σε ένα λεπτό τμήμα φελλού. Τα μικρά διαμερίσματα που είδε του θύμιζαν τις κατοικίες των μοναχών - τα κελιά τους. Μέχρι το 1710, ο Antonie van Leeuwenhoek είχε κατασκοπεύσει μικροσκοπικά διαμερίσματα μέσα στα κύτταρα, αν και ήταν ο Robert Brown, διάσημος στην κίνηση Brown, που επινόησε τη λέξη πυρήνας για να περιγράψει αυτά τα διαμερίσματα στις αρχές της δεκαετίας του 1830. Μισό αιώνα αργότερα, το 1888, ο Γερμανός ανατόμος Heinrich Wilhelm Gottfried von Waldeyer-Hartz κοίταξε μέσα από το μικροσκόπιό του και αποφάσισε να χρησιμοποιήσει τη λέξη χρωμόσωμα — που σημαίνει «χρωματιστό σώμα» — για τα μικροσκοπικά νήματα που απορροφούν τη βαφή που μπορούσε να δει αυτός και άλλοι μέσα στους πυρήνες με τα καλύτερα μικροσκόπια της εποχής τους.
Κατά τη διάρκεια του 20ου αιώνα, οι βιολόγοι ανακάλυψαν ότι το DNA στα χρωμοσώματα, και όχι τα πρωτεϊνικά συστατικά τους, είναι η μοριακή ενσάρκωση της γενετικής πληροφορίας. Το άθροισμα του DNA που περιέχεται στα 23 ζεύγη χρωμοσωμάτων είναι το γονιδίωμα. Αλλά το πώς αυτά τα χρωμοσώματα ταιριάζουν μεταξύ τους παρέμεινε σε μεγάλο βαθμό ένα μυστήριο.
Στη συνέχεια, στις αρχές της δεκαετίας του 1990, η Katherine Cullen και μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο Vanderbilt ανέπτυξαν μια μέθοδο για τη τεχνητή σύντηξη κομματιών DNA που βρίσκονται κοντά στον πυρήνα - ένα σπερματικό κατόρθωμα που κατέστησε δυνατή την ανάλυση της υπερδιπλωμένης δομής του DNA απλώς με την ανάγνωση της αλληλουχίας DNA . Αυτή η προσέγγιση έχει βελτιωθεί με τα χρόνια. Μια από τις πιο πρόσφατες επαναλήψεις του, που ονομάζεται Hi-C, καθιστά δυνατή τη χαρτογράφηση της αναδίπλωσης ολόκληρων γονιδιωμάτων.
Το πρώτο βήμα σε ένα πείραμα Hi-C είναι η επεξεργασία ενός δείγματος εκατομμυρίων κυττάρων με φορμαλδεΰδη, η οποία έχει τη χημική επίδραση της διασταύρωσης των κλώνων του DNA όπου τυχαίνει δύο κλώνοι να είναι κοντά μεταξύ τους. Αυτά τα δύο κοντινά κομμάτια μπορεί να βρίσκονται σε κάποια απόσταση κατά μήκος του ίδιου χρωμοσώματος που έχει λυγίσει πίσω στον εαυτό του ή μπορεί να βρίσκονται σε ξεχωριστά αλλά γειτονικά χρωμοσώματα.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές ψιλοκόβουν τα γονιδιώματα, συλλέγουν τα εκατομμύρια αποσπάσματα με σταυροειδείς δεσμούς και αλληλουχούν το DNA κάθε αποσπάσματος. Τα αποσπάσματα αλληλουχίας είναι σαν κοντινές φωτογραφίες των επαφών DNA-DNA στο τρισδιάστατο γονιδίωμα. Οι ερευνητές χαρτογραφούν αυτά τα αποσπάσματα σε υπάρχοντα δεδομένα αλληλουχίας σε όλο το γονιδίωμα για να δημιουργήσουν μια λίστα με τα σημεία επαφής του γονιδιώματος. Τα αποτελέσματα αυτής της άσκησης αντιστοίχισης είναι εκπληκτικά πλούσιοι σε δεδομένα χάρτες - μοιάζουν με παπλώματα από ένθετα, χρωματικά κωδικοποιημένα τετράγωνα διαφορετικών μεγεθών - που καθορίζουν την πιθανότητα δύο τμημάτων ενός χρωμοσώματος (ή ακόμα και δύο τμημάτων ενός ολόκληρου γονιδιώματος) να είναι φυσικά κοντά ο ένας στον άλλο στον πυρήνα.
Μέχρι στιγμής, τα περισσότερα δεδομένα Hi-C απεικονίζουν έναν μέσο χάρτη επαφής χρησιμοποιώντας επισκέψεις επαφών που συγκεντρώνονται από όλα τα κελιά του δείγματος. Αλλά οι ερευνητές έχουν αρχίσει να πιέζουν την τεχνική έτσι ώστε να μπορούν να συλλέγουν τα δεδομένα από μεμονωμένα κύτταρα. Η αναδυόμενη ικανότητα θα μπορούσε να οδηγήσει στις πιο ακριβείς τρισδιάστατες αποδόσεις χρωμοσωμάτων και γονιδιωμάτων μέσα στους πυρήνες.
Επιπλέον, ο Erez Lieberman Aiden, διευθυντής του Baylor College of Medicine Center for Genome Architecture, και οι συνάδελφοί του έχουν καταγράψει πρόσφατα επαφές DNA-DNA σε άθικτους πυρήνες, αντί σε DNA που προηγουμένως έπρεπε να εξαχθεί από πυρήνες, ένα βήμα που προσθέτει αβεβαιότητα στα δεδομένα. Οι χάρτες επαφών υψηλότερης ανάλυσης επιτρέπουν στους ερευνητές να διακρίνουν γονιδιωματικά δομικά χαρακτηριστικά σε κλίμακα 1.000 γενετικών γραμμάτων - μια ανάλυση περίπου 1.000 φορές καλύτερη από πριν. Είναι σαν να κοιτάς ακριβώς κάτω από το καπό ενός αυτοκινήτου αντί να κοιτάς τον κινητήρα από λίγα τετράγωνα μακριά. Οι ερευνητές δημοσίευσαν τις απόψεις τους για εννέα κυτταρικούς τύπους, συμπεριλαμβανομένων των καρκινικών κυττάρων τόσο σε ανθρώπους όσο και σε ποντίκια, στο τεύχος της 18ης Δεκεμβρίου 2014 του Cell .
Η δύναμη των βρόχων
Χρησιμοποιώντας εξελιγμένους αλγόριθμους για να αναλύσουν τα εκατοντάδες εκατομμύρια —σε ορισμένες περιπτώσεις, δισεκατομμύρια— σημείων επαφής σε αυτά τα κύτταρα, ο Aiden και οι συνεργάτες του μπορούσαν να δουν ότι αυτά τα γονιδιώματα τσιμπούν σε περίπου 10.000 βρόχους. Οι κυτταρικοί βιολόγοι γνώριζαν για τους γονιδιωματικούς βρόχους για δεκαετίες, αλλά προηγουμένως δεν ήταν σε θέση να τους εξετάσουν με το επίπεδο μοριακής ανάλυσης και λεπτομέρειας που είναι εφικτό τώρα. Αυτοί οι βρόχοι, των οποίων τα σχήματα ρευστού Dekker παρομοιάζουν με «φίδια όλα κουλουριασμένα», αποκαλύπτουν μέχρι πρότινος αφανείς τρόπους ότι η μεγάλης κλίμακας αρχιτεκτονική του γονιδιώματος μπορεί να επηρεάσει τον τρόπο με τον οποίο ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται συγκεκριμένα γονίδια, δήλωσε η Miriam Huntley, διδακτορική φοιτήτρια στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και συνεργάτης. -συγγραφέας του Κελιού άρθρο.
Στους διαφορετικούς τύπους κυττάρων, οι βρόχοι ξεκινούν και τελειώνουν σε διαφορετικές συγκεκριμένες χρωμοσωμικές θέσεις, επομένως το γονιδίωμα κάθε κυτταρικής γραμμής φαίνεται να έχει έναν μοναδικό πληθυσμό βρόχων. Και αυτή η διαφοροποίηση θα μπορούσε να προσφέρει μια δομική βάση για να εξηγηθεί πώς τα κύτταρα με το ίδιο συνολικό γονιδίωμα, ωστόσο, μπορούν να διαφοροποιηθούν σε εκατοντάδες διαφορετικούς τύπους κυττάρων. "Η αρχιτεκτονική 3-D σχετίζεται με το πρόγραμμα που εκτελείται το κελί", είπε ο Aiden.
Τι κάνουν αυτοί οι βρόχοι; Ο Μιστέλη τους φαντάζεται να «ταλαντεύονται στο αεράκι» μέσα στο ρευστό εσωτερικό του πυρήνα. Καθώς πλησιάζουν και απομακρύνονται η μία από την άλλη, άλλες πρωτεΐνες μπορεί να εισχωρήσουν και να σταθεροποιήσουν τη δομή του παροδικού βρόχου. Σε εκείνο το σημείο, ένας συγκεκριμένος τύπος πρωτεΐνης που ονομάζεται ενεργοποιητής μεταγραφής μπορεί να ξεκινήσει τη μοριακή διαδικασία μέσω της οποίας ενεργοποιείται ένα γονίδιο.
Ο Misteli πιστεύει ότι κάθε τύπος κυττάρου - ένα ηπατικό κύτταρο ή ένα εγκεφαλικό κύτταρο, για παράδειγμα - θα μπορούσε να έχει ένα δίκτυο υπογραφής αυτών των παροδικών αλληλεπιδράσεων βρόχου-βρόχου. Οι δομές βρόχου θα μπορούσαν να καθορίσουν ποια γονίδια θα ενεργοποιηθούν και ποια θα σιγήσουν.
Ωστόσο, οι ερευνητές προσέχουν να σημειώσουν ότι έχουν βρει συσχετίσεις μόνο μεταξύ δομής και λειτουργίας — είναι ακόμα πολύ νωρίς για να γνωρίζουμε με βεβαιότητα εάν το ένα προκαλεί το άλλο και την κατεύθυνση προς την οποία δείχνει το αιτιολογικό βέλος.
Καθώς εξόρυξαν τα δεδομένα τους για αλληλεπιδράσεις μεταξύ βρόχων, οι Aiden, Huntley και οι συνάδελφοί τους ήταν επίσης σε θέση να διακρίνουν μισή ντουζίνα μεγαλύτερα δομικά χαρακτηριστικά στο γονιδίωμα που ονομάζονται υποδιαμερίσματα. Ο Aiden τις αναφέρει ως «χωρικές γειτονιές στον πυρήνα» - το νουκλεϊκό ισοδύναμο του midtown της Νέας Υόρκης ή του Greenwich Village. Και ακριβώς όπως οι άνθρωποι έλκονται προς τη μία ή την άλλη γειτονιά, διαφορετικά τμήματα χρωμοσωμάτων φέρουν ένα είδος μοριακού ταχυδρομικού κώδικα για ορισμένα υποδιαμερίσματα και τείνουν να γλιστρούν προς το μέρος τους.
Αυτοί οι μοριακοί ταχυδρομικοί κώδικες είναι γραμμένοι σε χρωματίνη, το μείγμα DNA και πρωτεΐνης που συνθέτει τα χρωμοσώματα. Η χρωματίνη δημιουργείται όταν το DNA περιστρέφεται γύρω από εκατομμύρια πρωτεϊνικές δομές που μοιάζουν με καρούλι που ονομάζονται νουκλεοσώματα. (Αυτή η περιέλιξη είναι ο λόγος για τον οποίο δύο μέτρα DNA μπορούν να στριμώξουν μέσα σε πυρήνες με διάμετρο μόλις 1-3000000 πλάτους.)
Ένα μεγάλο cast βιομοριακών παικτών λεπταίνει διαφορετικές λωρίδες αυτής της στρεβλωμένης χρωματίνης σε πιο κλειστά ή ανοιχτά σχήματα. Τα περιστρεφόμενα μέρη της γονιδιωματικής μηχανής μπορούν να έχουν καλύτερη πρόσβαση στα ανοιχτά τμήματα και έτσι έχουν περισσότερες πιθανότητες να ενεργοποιήσουν τα γονίδια που βρίσκονται εκεί.
Η ολοένα και πιο λεπτομερής ιεραρχική εικόνα του γονιδιώματος που έχουν χτίσει ερευνητές όπως οι Dekker, Misteli, Aiden και οι συνάδελφοί τους είναι κάπως έτσι:Τα νουκλεοτίδια συγκεντρώνονται στη διάσημη διπλή έλικα του DNA. Η έλικα τυλίγεται πάνω σε νουκλεοσώματα για να σχηματίσει χρωματίνη, η οποία τυλίγει και τυλίγεται με τη σειρά της σε σχηματισμούς παρόμοιους με αυτούς που παίρνετε όταν συνεχίζετε να στρίβετε τα δύο άκρα μιας χορδής. Μέσα σε όλα αυτά, η χρωματίνη τσιμπάει εδώ κι εκεί σε χιλιάδες βρόχους. Αυτοί οι βρόχοι, τόσο στο ίδιο όσο και σε διαφορετικά χρωμόσωμα, εμπλέκονται μεταξύ τους σε υποδιαμερίσματα.
Καθώς οι ερευνητές αποκτούν σταδιακά περισσότερες γνώσεις για την ιεραρχία των δομών του γονιδιώματος, θα πλησιάσουν στο να καταλάβουν πώς λειτουργεί αυτό το μακρομοριακό θαύμα με όλη την απεραντοσύνη και τις μηχανιστικές του λεπτομέρειες. Τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας έχουν ξεκινήσει ένα πενταετές πρόγραμμα 120 εκατομμυρίων δολαρίων που ονομάζεται 4D Nucleome που είναι βέβαιο ότι θα δώσει ώθηση στην ερευνητική κοινότητα της πυρηνικής αρχιτεκτονικής και μια παρόμοια πρωτοβουλία ξεκινάει στην Ευρώπη. Ο στόχος του προγράμματος NIH, όπως περιγράφεται στον ιστότοπό του, είναι «να κατανοήσει τις αρχές πίσω από την τρισδιάστατη οργάνωση του πυρήνα στο χώρο και το χρόνο (την τέταρτη διάσταση), τον ρόλο που παίζει η πυρηνική οργάνωση στη γονιδιακή έκφραση και την κυτταρική λειτουργία, και πώς οι αλλαγές στην πυρηνική οργάνωση επηρεάζουν την κανονική ανάπτυξη καθώς και διάφορες ασθένειες.»
Ή, όπως λέει ο Dekker, "Επιτέλους θα μας επιτρέψει να δούμε το ζωντανό γονιδίωμα σε δράση, και αυτό θα μας πει τελικά πώς λειτουργεί πραγματικά."
