Πώς τα κύτταρα συσκευάζουν το μπερδεμένο DNA σε καθαρά χρωμοσώματα

Ένα ανθρώπινο κύτταρο φέρει στον πυρήνα του δύο μέτρα σπειροειδούς DNA, χωρισμένο μεταξύ των 46 λεπτών, διπλών ελικοειδών μορίων που είναι τα χρωμοσώματά του. Τις περισσότερες φορές, αυτό το DNA μοιάζει με μια μπερδεμένη μπάλα νήματος — διάχυτο, διαταραγμένο, χαοτικό. Αλλά αυτή η ακαταστασία δημιουργεί πρόβλημα κατά τη διάρκεια της μίτωσης, όταν το κύτταρο πρέπει να δημιουργήσει ένα αντίγραφο του γενετικού του υλικού και να διαιρεθεί στα δύο. Κατά την προετοιμασία, τακτοποιεί συσκευάζοντας το DNA σε πυκνές ράβδους σαν λουκάνικο, την πιο γνωστή μορφή των χρωμοσωμάτων. Οι επιστήμονες παρακολουθούν αυτή τη διαδικασία μέσω μικροσκοπίου για δεκαετίες:Το DNA συμπυκνώνεται και οργανώνεται σε διακριτές μονάδες που σταδιακά βραχύνονται και διευρύνονται. Αλλά το πώς το γονιδίωμα διπλώνεται μέσα σε αυτή τη δομή - είναι σαφές ότι δεν συστέλλεται απλώς - παρέμεινε ένα μυστήριο. «Είναι πραγματικά στην καρδιά της γενετικής», είπε ο Job Dekker, βιοχημικός στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου της Μασαχουσέτης, «μια θεμελιώδης πτυχή της κληρονομικότητας που ήταν πάντα ένα τόσο μεγάλο παζλ».

Για να λύσει αυτό το παζλ, ο Dekker συνεργάστηκε με τον Leonid Mirny, βιοφυσικό στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, και τον William Earnshaw, βιολόγο στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου στη Σκωτία. Αυτοί και οι συνάδελφοί τους χρησιμοποίησαν έναν συνδυασμό τεχνικών απεικόνισης, μοντελοποίησης και γονιδιώματος για να κατανοήσουν πώς σχηματίζεται το συμπυκνωμένο χρωμόσωμα κατά τη διαίρεση των κυττάρων. Τα αποτελέσματά τους, δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο Science και επιβεβαιώνεται εν μέρει από πειραματικά στοιχεία που αναφέρονται από μια Ευρωπαϊκή ομάδα στο σημερινό τεύχος του περιοδικού, ζωγραφίζει μια εικόνα στην οποία δύο συμπλέγματα πρωτεϊνών οργανώνουν διαδοχικά το DNA σε σφιχτές σειρές βρόχων κατά μήκος μιας ελικοειδής ράχης.

Οι ερευνητές συνέλεξαν δεδομένα λεπτό προς λεπτό για τα χρωμοσώματα - χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο για να δουν πώς άλλαξαν, καθώς και μια τεχνολογία που ονομάζεται Hi-C, η οποία παρέχει έναν χάρτη του πόσο συχνά αλληλεπιδρούν ζεύγη αλληλουχιών στο γονιδίωμα. Στη συνέχεια δημιούργησαν εξελιγμένες προσομοιώσεις υπολογιστή για να ταιριάζουν με αυτά τα δεδομένα, επιτρέποντάς τους να υπολογίσουν την τρισδιάστατη διαδρομή που εντόπισαν τα χρωμοσώματα καθώς συμπυκνώνονταν.

Τα μοντέλα τους προσδιόρισαν ότι στην πορεία προς τη μίτωση, ένα μόριο πρωτεΐνης σε σχήμα δακτυλίου που ονομάζεται condensin II, που αποτελείται από δύο συνδεδεμένους κινητήρες, προσγειώνεται στο DNA. Καθένας από τους κινητήρες του κινείται σε αντίθετες κατευθύνσεις κατά μήκος του κλώνου ενώ παραμένει συνδεδεμένος ο ένας στον άλλο, προκαλώντας τη δημιουργία βρόχου. καθώς οι κινητήρες συνεχίζουν να κινούνται, αυτός ο βρόχος γίνεται όλο και μεγαλύτερος. (Ο Μίρνι μου έδειξε τη διαδικασία κουμπώνοντας ένα κομμάτι από το καλώδιο τροφοδοσίας του υπολογιστή του και με τα δύο χέρια, κρατώντας τις αρθρώσεις με τις αρθρώσεις, μέσω των οποίων στη συνέχεια προχώρησε στην ώθηση ενός βρόχου καλωδίου.) Καθώς δεκάδες χιλιάδες από αυτά τα μόρια πρωτεΐνης κάνουν τη δουλειά τους, αναδύεται μια σειρά από βρόχους. Οι πρωτεΐνες τύπου δακτυλίου, τοποθετημένες στη βάση κάθε βρόχου, δημιουργούν μια κεντρική σκαλωσιά από την οποία προέρχονται οι βρόχοι και ολόκληρο το χρωμόσωμα γίνεται πιο κοντό και πιο άκαμπτο.

Αυτά τα αποτελέσματα υποστήριξαν την ιδέα της εξώθησης βρόχου, μια προηγούμενη πρόταση για το πώς συσκευάζεται το DNA. (Η εξώθηση βρόχου είναι επίσης υπεύθυνη για την πρόληψη του κόμπου και της εμπλοκής των διπλών χρωμοσωμάτων, σύμφωνα με τον Mirny. Η μηχανική της δομής με βρόχο αναγκάζει τις αδελφές χρωματίδες να απωθούνται η μία την άλλη.) Αλλά αυτό που παρατήρησαν στη συνέχεια οι επιστήμονες ήταν πιο έκπληξη και τους επέτρεψε για να δημιουργήσετε περαιτέρω λεπτομέρειες στην υπόθεση της εξώθησης βρόχου.

Μετά από περίπου 10 λεπτά, το πυρηνικό περίβλημα που κρατούσε τα χρωμοσώματα ενωμένα κατέρρευσε, δίνοντας σε μια δεύτερη πρωτεΐνη κινητήρα σε σχήμα δακτυλίου, τη συμπυκνσίνη Ι, πρόσβαση στο DNA. Αυτά τα μόρια πραγματοποίησαν εξώθηση βρόχου στους βρόχους που είχαν ήδη σχηματιστεί, χωρίζοντας τον καθένα σε περίπου πέντε μικρότερους βρόχους κατά μέσο όρο. Οι βρόχοι ένθεσης με αυτόν τον τρόπο επέτρεψαν στο χρωμόσωμα να γίνει πιο στενό και εμπόδισαν τους αρχικούς βρόχους να μεγαλώσουν αρκετά ώστε να αναμειχθούν ή να αλληλεπιδράσουν.

Μετά από περίπου 15 λεπτά, καθώς σχηματίζονταν αυτοί οι βρόχοι, τα δεδομένα Hi-C έδειξαν κάτι που οι ερευνητές βρήκαν ακόμη πιο απροσδόκητο. Τυπικά, οι αλληλουχίες που βρίσκονται κοντά μεταξύ τους κατά μήκος της σειράς του DNA είχαν περισσότερες πιθανότητες να αλληλεπιδράσουν, ενώ εκείνες που βρίσκονται πιο μακριά η μία από την άλλη ήταν λιγότερο πιθανό να το κάνουν. Αλλά οι μετρήσεις της ομάδας έδειξαν ότι «τα πράγματα [τότε] επέστρεψαν ξανά σε κύκλο», είπε η Mirny. Δηλαδή, όταν η απόσταση μεταξύ των αλληλουχιών είχε αυξηθεί ακόμη περισσότερο, είχαν και πάλι μεγαλύτερη πιθανότητα αλληλεπίδρασης. «Ήταν προφανές από την πρώτη ματιά σε αυτά τα δεδομένα ότι δεν είχαμε ξαναδεί κάτι τέτοιο», είπε. Το μοντέλο του πρότεινε ότι τα μόρια condensin II συναρμολογούνται σε ένα ελικοειδή ικρίωμα, όπως στη διάσημη σκάλα Leonardo που βρέθηκε στο Κάστρο Chambord στη Γαλλία. Οι ένθετοι βρόχοι του DNA ακτινοβολούσαν σαν σκαλοπάτια από αυτό το σπειροειδές ικρίωμα, συμπιέζοντας άνετα στην κυλινδρική διαμόρφωση που χαρακτηρίζει το χρωμόσωμα.

«Έτσι αυτή η ενιαία διαδικασία λύνει αμέσως τρία προβλήματα», είπε η Mirny. «Δημιουργεί ένα ικρίωμα. Διατάσσει γραμμικά το χρωμόσωμα. Και το συμπιέζει με τέτοιο τρόπο ώστε να γίνει ένα επίμηκες αντικείμενο.»

«Αυτό ήταν πραγματικά εκπληκτικό για εμάς», είπε ο Dekker - όχι μόνο επειδή δεν είχαν παρατηρήσει ποτέ την περιστροφή των βρόχων κατά μήκος ενός ελικοειδούς άξονα, αλλά επειδή το εύρημα εντάσσεται σε μια πιο θεμελιώδη συζήτηση. Δηλαδή, τα χρωμοσώματα είναι απλώς μια σειρά βρόχων ή σπειροειδώς; Και αν κάνουν σπειροειδή, είναι ότι ολόκληρο το χρωμόσωμα στρίβει σε ένα πηνίο ή μόνο το εσωτερικό ικρίωμα; (Η νέα μελέτη επισημαίνει το δεύτερο· οι ερευνητές αποδίδουν την προηγούμενη υπόθεση που σχετίζεται με την έλικα σε πειραματικά τεχνουργήματα, το αποτέλεσμα της απομόνωσης των χρωμοσωμάτων με τρόπο που προάγει την υπερβολική σπειροειδή κίνηση.) «Η εργασία μας ενοποιεί πολλές, πολλές παρατηρήσεις που έχουν συλλέξει οι άνθρωποι σε χρόνια», είπε ο Dekker.

«Αυτή η [ανάλυση] παρέχει έναν επαναστατικό βαθμό σαφήνειας», δήλωσε η Nancy Kleckner, μοριακή βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. "Μας μεταφέρει σε μια άλλη εποχή κατανόησης του τρόπου με τον οποίο οργανώνονται τα χρωμοσώματα σε αυτά τα τελευταία στάδια."

Άλλοι ειδικοί στον τομέα βρήκαν αυτά τα αποτελέσματα λιγότερο εκπληκτικά, αντίθετα θεωρώντας τη μελέτη πιο αξιοσημείωτη για τις λεπτομέρειες που παρείχε. Οι υποδείξεις της γενικής χρωμοσωμικής συναρμολόγησης που περιέγραψαν οι ερευνητές ήταν ήδη «στον αέρα», σύμφωνα με τον Julien Mozziconacci, βιοφυσικό στο Πανεπιστήμιο της Σορβόννης στη Γαλλία. Οι πιο καινοτόμες πτυχές της εργασίας, είπε, βρισκόταν στη συλλογή δεδομένων Hi-C των ερευνητών σε συνάρτηση με το χρόνο, κάτι που τους επέτρεψε να εντοπίσουν συγκεκριμένους περιορισμούς, όπως τα μεγέθη των βρόχων και τις ελικοειδείς στροφές. "Νομίζω ότι πρόκειται για μια τεχνική περιοδεία που μας επιτρέπει να δούμε για πρώτη φορά τι σκέφτονται οι άνθρωποι", είπε.

Ωστόσο, ο Dekker προειδοποίησε ότι, αν και είναι γνωστό εδώ και αρκετό καιρό ότι οι συμπυκνώσεις εμπλέκονται σε αυτή τη διαδικασία - και παρά το γεγονός ότι η ομάδα του έχει πλέον εντοπίσει πιο συγκεκριμένους ρόλους για εκείνα τα "μοριακά χέρια που χρησιμοποιούν τα κύτταρα για να διπλώνουν τα χρωμοσώματα" - οι επιστήμονες εξακολουθούν να Δεν καταλαβαίνω ακριβώς πώς το κάνουν.

«Αν η συμπύκνωση οργανώνει τα μιτωτικά χρωμοσώματα με αυτόν τον τρόπο, πώς το κάνει;» είπε ο Kim Nasmyth, βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης και πρωτοπόρος της υπόθεσης της εξώθησης βρόχου. "Μέχρι να μάθουμε τον μοριακό μηχανισμό, δεν μπορούμε να πούμε με βεβαιότητα εάν η συμπύκνωση είναι πράγματι αυτή που οδηγεί όλα αυτά."

Εκεί μπαίνουν στην εικόνα ο Christian Häring, βιοχημικός στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας στη Γερμανία και ο Cees Dekker, βιοφυσικός (άσχετος με τον Job Dekker) στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Ντελφτ στην Ολλανδία. Πέρυσι, αυτοί και οι συνάδελφοί τους απέδειξαν άμεσα για πρώτη φορά ότι η συμπύκνωση κινείται κατά μήκος του DNA σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα - προϋπόθεση για να είναι αληθινή η εξώθηση βρόχου. Και στο σημερινό τεύχος του Science , ανέφεραν ότι είδαν ένα απομονωμένο μόριο συμπυκνίνης που εξώθησε έναν βρόχο DNA σε ζυμομύκητα, σε πραγματικό χρόνο. "Έχουμε επιτέλους οπτική απόδειξη ότι συμβαίνει αυτό", είπε ο Häring.

Και συνέβη σχεδόν ακριβώς όπως προέβλεψε ο Mirny και η ομάδα του για το σχηματισμό των μεγαλύτερων βρόχων τους — εκτός από το ότι στο πείραμα in vitro, οι βρόχοι σχηματίστηκαν ασύμμετρα:Η συμπύκνωση προσγειώθηκε στο DNA και το τύλιξε μόνο από τη μία πλευρά, μάλλον παρά και προς τις δύο κατευθύνσεις όπως υπέθεσε αρχικά η Μίρνυ. (Δεδομένου ότι τα πειράματα περιελάμβαναν συμπύκνωση από ζυμομύκητα και εξέταζαν μόνο ένα μόριο τη φορά, δεν μπορούσαν ούτε να επιβεβαιώσουν ούτε να αντικρούσουν τις άλλες πτυχές των μοντέλων του Mirny, δηλαδή τους ένθετους βρόχους και το ελικοειδή ικρίωμα.)

Μόλις οι ερευνητές αποσυσκευάσουν εντελώς αυτή τη βιοχημεία — και διεξήγαγαν παρόμοιες μελέτες για το πώς ξετυλίγονται τα χρωμοσώματα — οι Job Dekker και Mirny πιστεύουν ότι το έργο τους μπορεί να προσφερθεί σε μια σειρά από πρακτικές και θεωρητικές εφαρμογές. Πρώτον, η έρευνα θα μπορούσε να ενημερώσει πιθανές θεραπείες για τον καρκίνο. Τα καρκινικά κύτταρα διαιρούνται γρήγορα και συχνά, "έτσι οτιδήποτε γνωρίζουμε για αυτήν τη διαδικασία μπορεί να βοηθήσει στη συγκεκριμένη στόχευση αυτών των ειδών κυττάρων", είπε ο Dekker.

Θα μπορούσε επίσης να παρέχει ένα παράθυρο για το τι συμβαίνει στα χρωμοσώματα των κυττάρων που δεν διαιρούνται. "Έχει ευρύτερες επιπτώσεις, πιστεύω, για οποιοδήποτε άλλο πράγμα που κάνει το κύτταρο με τα χρωμοσώματα", είπε ο Job Dekker. Οι συμπυκνώσεις που μελετούν ο ίδιος και οι συνάδελφοί του έχουν στενούς συγγενείς, που ονομάζονται συνεζίνες, που βοηθούν στην οργάνωση του γονιδιώματος και στη δημιουργία βρόχων ακόμα και όταν το DNA δεν συμπιέζεται. Αυτή η διαδικασία αναδίπλωσης θα μπορούσε να επηρεάσει την έκφραση των γονιδίων. Η εξώθηση βρόχου φέρνει βασικά ζεύγη τόπων μαζί, ωστόσο για λίγο, στη βάση του αναπτυσσόμενου ή συρρικνούμενου βρόχου - κάτι που θα μπορούσε κάλλιστα να συμβαίνει κατά τη γονιδιακή ρύθμιση, όταν ένα γονίδιο πρέπει να βρίσκεται σε φυσική επαφή με ένα ρυθμιστικό στοιχείο που μπορεί να εντοπιστεί αρκετά μακριά κατά μήκος του χρωμοσώματος. "Έχουμε τώρα ένα τόσο ισχυρό σύστημα για τη μελέτη αυτής της διαδικασίας", είπε ο Dekker.

«Νομίζω ότι υπάρχει απίστευτη συνέργεια μεταξύ των πραγμάτων που μπορούμε να μάθουμε σε διαφορετικά μέρη του κυτταρικού κύκλου», πρόσθεσε ο Geoff Fudenberg, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Φρανσίσκο, ο οποίος εργαζόταν στο παρελθόν στο εργαστήριο της Mirny. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα χρωμοσώματα υφίστανται μια τέτοια «δραματική μετάβαση» κατά τη διάρκεια της μίτωσης, είπε, θα μπορούσε επίσης να αποκαλύψει πολλά για το τι κάνουν «κάτω από την επιφάνεια» όταν τα κύτταρα δεν διαιρούνται και ορισμένες δραστηριότητες και συμπεριφορές είναι λιγότερο σαφείς.

Η Mirny επισημαίνει ότι αυτός ο τύπος αναδίπλωσης θα μπορούσε επίσης να παρέχει πληροφορίες για άλλες διεργασίες σε κύτταρα που περιλαμβάνουν ενεργές αλλαγές στο σχήμα ή τη δομή. Οι πρωτεΐνες αναδιπλώνονται σε μεγάλο βαθμό από αλληλεπιδράσεις, ενώ οι κινητικές διεργασίες δημιουργούν τον κυτταροσκελετό στο κυτταρόπλασμα. «Τώρα καταλάβαμε ότι τα χρωμοσώματα μπορεί να είναι κάτι στο ενδιάμεσο», είπε η Mirny. "Πρέπει να κατανοήσουμε καλύτερα τον τρόπο με τον οποίο αυτοί οι τύποι ενεργών συστημάτων αυτοοργανώνονται για να δημιουργήσουν πολύπλοκα μοτίβα και ζωτικές δομές."

Προτού αυτό καταστεί δυνατό, οι ερευνητές θα πρέπει να επιβεβαιώσουν και να εφαρμόσουν τη λύση που έχουν προτείνει σε αυτό που ο Job Dekker αποκάλεσε «μεγάλο παζλ». Ο Kleckner έχει επίσης μεγάλες ελπίδες. "Αυτό το έργο θέτει τα θεμέλια για έναν εντελώς νέο τρόπο σκέψης για το τι μπορεί να συμβαίνει", είπε.