Στον Πυρήνα, η δραστηριότητα των γονιδίων μπορεί να εξαρτάται από τη θέση τους
Ο πυρήνας ενός κυττάρου έχει κάτι κοινό με ένα χάρτινο κουτί γεμάτο γατάκια:Οι άνθρωποι γοητεύονται τόσο πολύ από το περιεχόμενο που παραβλέπουν το δοχείο. Ο ίδιος ο πυρήνας συχνά αντιμετωπίζεται ως ένας άχαρος μεμβρανώδης σάκος για τη συγκράτηση του ζωτικά δυναμικού γενετικού υλικού. Ωστόσο, στην πραγματικότητα έχει εξειδικευμένα εξαρτήματα και μια δική του εσωτερική αρχιτεκτονική, και οι επιστήμονες εικάζουν εδώ και καιρό ότι το πώς ακριβώς τοποθετείται το DNA σε σχέση με αυτά τα μέρη μπορεί να έχει μεγάλη σημασία.
Τώρα μια ομάδα ερευνητών βρίσκει αξιόπιστα στοιχεία ότι αυτό είναι αλήθεια και πιθανώς μια σημαντική επιρροή στη γονιδιακή έκφραση. Χρησιμοποιώντας μια νέα τεχνική που βασίζεται στο εργαλείο επεξεργασίας γονιδιώματος CRISPR, κόλλησαν τεχνητά μέρη του DNA ενός κυττάρου σε διαφορετικές περιοχές του πυρήνα και παρατήρησαν τι συνέβη. Το έργο, που δημοσιεύτηκε τον περασμένο μήνα στο Cell , έχει αρχίσει να αποδίδει ενδιαφέρουσες πληροφορίες για το πώς διάφορες πυρηνικές γειτονιές μπορεί να σχετίζονται με την έκφραση γονιδίων, είτε ως αιτία είτε ως διευκολυντής.
Τα 6 πόδια DNA που είναι πολύπλοκα δεσμευμένα μέσα στον μικροσκοπικό πυρήνα ενός ανθρώπινου κυττάρου μπορεί να φαίνονται τόσο χαοτικά όσο μια μπάλα μακαρόνια ή ένα κουβάρι από νήμα. Αλλά το πώς αυτό το DNA τοποθετείται στον τρισδιάστατο χώρο είναι κρίσιμο - και καθόλου τυχαίο. Ο βαθμός συσσώρευσης και αναδίπλωσης επιτρέπει στα γονίδια να είναι προσβάσιμα στο σωστό μέρος τη σωστή στιγμή, έτσι ώστε ο μηχανισμός του κυττάρου να μπορεί να τα βρει και να τα αποκωδικοποιήσει, να πληκτρολογήσει τη δραστηριότητά τους προς τα πάνω ή προς τα κάτω και να διατηρήσει τα πάντα όπως θα έπρεπε. Αυτές οι αναδιατάξεις τοποθετούν επίσης συγκεκριμένα μέρη του γονιδιώματος κοντά ή μακριά από ορόσημα εντός του πυρήνα.
Υπάρχουν δελεαστικές ενδείξεις ότι η τοποθέτηση του DNA σε αυτές τις πυρηνικές τοποθεσίες μπορεί να μην είναι τυχαία. Τα σφιχτά τυλιγμένα, σιωπηλά γονίδια τείνουν να βρίσκονται προς την περιφέρεια του πυρήνα, ενώ το ανοιχτό, ενεργό DNA κάνει το σπίτι του προς το εσωτερικό. Κατά την ανάπτυξη, καθώς τα κύτταρα διαφοροποιούνται, το DNA αναδιοργανώνεται:Καθώς ορισμένα γονίδια μετατοπίζονται από μια κατάσταση καταστολής σε μια ενεργή, έχει επίσης βρεθεί ότι απομακρύνονται από την περιφέρεια. Τούτου λεχθέντος, ορισμένες άλλες γονιδιακές περιοχές που βρίσκονται συνήθως κοντά στην περιφέρεια δεν είναι εκεί όλη την ώρα και όταν κινούνται, εξακολουθούν να δείχνουν τα ίδια επίπεδα δραστηριότητας.
Ως εκ τούτου, οι βιολόγοι έχουν συζητήσει πώς η συμπυκνωμένη δομή και η έκφραση του DNA σχετίζονται με την πυρηνική του θέση και τι μπορεί να είναι η αιτία και όχι το αποτέλεσμα. Τα ανενεργά γονίδια με ένα συγκεκριμένο προφίλ μπορεί να έλκονται στην περιφέρεια ή η ίδια η περιφέρεια μπορεί να είναι υπεύθυνη για τη φίμωσή τους. Αυτές οι σκέψεις γίνονται ακόμη πιο περίπλοκες προς το κέντρο του πυρήνα, το οποίο περιλαμβάνει πολλούς διαφορετικούς τομείς που ορίζονται από μια ποικιλία πυρηνικών σωμάτων, όπως ο πυρήνας (που συναρμολογεί ριβοσώματα για την παραγωγή πρωτεΐνης) και τα σώματα Cajal (τα οποία βοηθούν στο μάτισμα του RNA). Οι λειτουργίες τους, επίσης, ήταν δύσκολο να διαχωριστούν:Για άλλη μια φορά, οι συσχετισμοί αφθονούν, αλλά ο προσδιορισμός της αιτιότητας είναι μια διαφορετική ιστορία.
"Αυτά ήταν τα ερωτήματα στο επίκεντρο των μελετών σχετικά με τη σχέση οργάνωσης του γονιδιώματος και πυρηνικής δομής και ρύθμισης γονιδίων για δεκαετίες", δήλωσε ο Mitchell Guttman, βιολόγος στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια.
Και έτσι τα τελευταία τέσσερα χρόνια, ο Stanley Qi, ένας βιομηχανικός στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, και οι συνάδελφοί του εργάζονται για να ανοίξουν έναν δρόμο για τους επιστήμονες να αρχίσουν να απαντούν σε αυτές τις ερωτήσεις. Έστρεψαν στο CRISPR, ένα σύστημα που έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως για την επεξεργασία γονιδίων, τη ρύθμιση της μεταγραφής και τη λήψη εικόνων κυτταρικών διεργασιών. Τώρα έχουν καινοτομήσει έναν τρόπο να το αξιοποιήσουν για χωρικό έλεγχο του γονιδιώματος. Έχουν ονομάσει τη διαδικασία CRISPR-GO (το GO σημαίνει «οργάνωση γονιδιώματος»). "Είναι μια ευρεία επέκταση της τεχνολογίας CRISPR", εξήγησε ο Qi, "η οποία ξεκίνησε πριν από πέντε χρόνια και εξακολουθεί να μην επιβραδύνεται."
Η μέθοδος λειτουργεί κάπως σαν να τοποθετείτε μια λωρίδα Velcro στα γονίδια που θέλουν να μετακινήσουν οι ερευνητές και μια άλλη λωρίδα στο πυρηνικό σώμα στο οποίο θέλουν να μετακινήσουν τα γονίδια. Καθώς το DNA περνάει, τα δύο αντίστοιχα κομμάτια Velcro καταλήγουν να κολλάνε μεταξύ τους.
Πιο συγκεκριμένα, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν το μοριακό σύμπλεγμα CRISPR/Cas9 - την ικανότητά του να κόβει το γονιδίωμα που είναι απενεργοποιημένο - για να στοχεύσουν μια συγκεκριμένη αλληλουχία DNA. Μέρος μιας πρωτεΐνης συνδέεται με το σύμπλοκο και ένα δεύτερο μέρος συνδέεται με μια επιλεγμένη δομή εντός του πυρήνα. Καθώς το DNA προχωρά στη δουλειά του, κινείται και μετατοπίζεται ως συνήθως, οι ερευνητές προσθέτουν ένα μόριο «επαγωγέα» που συνδέεται και με τα δύο θραύσματα πρωτεΐνης, τα δεσμεύει και δένει το DNA στη νέα θέση. Η αφαίρεση του επαγωγέα ελευθερώνει το DNA να απομακρυνθεί ξανά.
Προηγουμένως, οι ερευνητές είχαν χρησιμοποιήσει μια άλλη τεχνική για να προσπαθήσουν να επιτύχουν αυτό το αποτέλεσμα. Ωστόσο, έπρεπε να κατασκευάσουν μια ειδική κυτταρική σειρά για να ενσωματώσουν μια μακρά, εξαιρετικά επαναλαμβανόμενη βακτηριακή ή συνθετική αλληλουχία δίπλα σε ένα γονίδιο ενδιαφέροντος. Το σύστημα ήταν δύσκολο στη χρήση και περιορισμένο σε εύρος, και η επεμβατική φύση της μεθόδου σήμαινε ότι το ίδιο το πείραμα θα μπορούσε να επηρεάσει τα αποτελέσματα. Όταν τέτοιες μελέτες απέδωσαν ασυνεπή ευρήματα - ορισμένοι κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η στρατολόγηση DNA στην πυρηνική περιφέρεια οδήγησε σε γονιδιακή σίγηση, για παράδειγμα, ενώ άλλοι δεν είδαν τέτοιο αποτέλεσμα - οι ερευνητές δυσκολεύτηκαν να τα ερμηνεύσουν.
Αλλά το CRISPR-GO δεν απαιτεί από τους επιστήμονες να τροποποιήσουν το γονιδίωμα και μπορεί να στοχεύσει με ακρίβεια οποιαδήποτε περιοχή του DNA. «Είναι κατά κάποιο τρόπο μια πολύ πιο ήπια προσέγγιση», είπε ο David Spector, μοριακός βιολόγος στο Cold Spring Harbor Laboratory στη Νέα Υόρκη, ο οποίος δεν συμμετείχε σε αυτή την εργασία. "Και πιο κομψό."
Με το CRISPR-GO, οι επιστήμονες έχουν τώρα την εργαλειοθήκη για να εξερευνήσουν τι πραγματικά κάνουν τα πυρηνικά σώματα:πώς μπορεί ή όχι να επηρεάζουν τη δραστηριότητα συγκεκριμένων γονιδίων, για ένα, και ποιους ρόλους μπορεί να παίζουν στην υγεία και τις ασθένειες.
Ο Qi και η ομάδα του έδειξαν πώς μπορεί να λειτουργήσει αυτό. Αρχικά παρατήρησαν ότι διαφορετικά πυρηνικά σώματα παρουσίαζαν τη δική τους δυναμική. Όταν, για παράδειγμα, τοποθέτησαν το DNA στην πυρηνική περιφέρεια, ήταν το DNA που έκανε την κίνηση και η διαδικασία κράτησε σχεδόν μια μέρα. Αλλά όταν μετέφεραν τμήματα του γονιδιώματος σε ένα σώμα Cajal, το τελευταίο πήγε στο πρώτο μέσα σε λίγα μόνο λεπτά. Σύμφωνα με τον Qi, αυτά τα ευρήματα θα μπορούσαν να αποκαλύψουν πληροφορίες σχετικά με το πόσο μακροχρόνια ή παροδική μπορεί να είναι η ενεργοποίηση και καταστολή σε ορισμένα μέρη του πυρήνα και για το πόσο ενεργά διατηρούνται οι αλληλεπιδράσεις του DNA.
Όπως είχε δείξει επίσης προηγούμενη εργασία, ο Qi και οι συνεργάτες του παρατήρησαν ότι μια χωρική σχέση φαινόταν να υπάρχει για ορισμένα γονίδια και όχι για άλλα. Ωστόσο, αποκάλυψαν μερικούς εκπληκτικούς συνδέσμους, συμπεριλαμβανομένων των εφέ μεγάλης εμβέλειας. Η μεταφορά ορισμένων γονιδίων που κωδικοποιούν πρωτεΐνες σε ένα σώμα Cajal, για παράδειγμα, κατέστειλε τη δραστηριότητά τους — καθώς και αυτή του DNA που βρίσκεται εκατοντάδες κιλοβάσεις μακριά.
Η ομάδα εξέτασε επίσης μη κωδικοποιητικές περιοχές γονιδίων, αλληλουχίες με ρυθμιστικές ή άλλες λειτουργίες που αποτελούν τη συντριπτική πλειοψηφία του DNA. Επικεντρώθηκαν συγκεκριμένα στα τελομερή, τμήματα DNA που βρίσκονται στις άκρες των χρωμοσωμάτων που σχετίζονται με τη διάρκεια ζωής των κυττάρων. Όταν τα τελομερή επανατοποθετήθηκαν στην πυρηνική περιφέρεια, η κυτταρική διαίρεση σχεδόν σταμάτησε. Ωστόσο, η μετακίνηση των τελομερών κοντά στα σώματα Cajal είχε ακριβώς το αντίθετο αποτέλεσμα, προκαλώντας την ανάπτυξη και τη διαίρεση των κυττάρων πολύ πιο γρήγορα.
«Αυτό σημαίνει ότι η θέση των τελομερών στον πυρήνα είναι σημαντική για να ολοκληρώσουν τα κύτταρα τον σωστό κυτταρικό τους κύκλο», είπε ο Qi. Εικάζεται ότι τα σώματα Cajal μπορεί να είχαν αυτό το αποτέλεσμα επειδή έχει αποδειχθεί προηγουμένως ότι παράγουν ένα ένζυμο που βοηθά στη διατήρηση του μήκους των τελομερών. "Πιστεύουμε ότι δυνητικά συνεντοπίζαμε το εργοστάσιο παραγωγής με την καταναλωτική αγορά", είπε.
Αλλά οι ερευνητές πρέπει ακόμα να ξεριζώσουν γιατί συνέβησαν αυτά τα αποτελέσματα. Θα πρέπει να πραγματοποιήσουν περαιτέρω πειράματα - στοχεύοντας διάφορα γονίδια και πυρηνικά σώματα σε διαφορετικούς τύπους κυττάρων και δοκιμάζοντας όχι μόνο για επιδράσεις στην έκφραση γονιδίων αλλά και στη γονιδιωματική σταθερότητα και άλλους παράγοντες - για να μάθουν γιατί και πώς είναι οργανωμένο το γονιδίωμα. είναι. Τουλάχιστον, φαίνεται να «χτίζει ένα επιπλέον επίπεδο ελέγχου», είπε ο Guttman. "Δημιουργώντας ενεργές και ανενεργές περιοχές, ο πυρήνας μπορεί να αποτρέψει πρωτεΐνες που αποσιωπούν τη μεταγραφή από το να απενεργοποιούν ανώμαλα ένα γονίδιο που πρέπει να είναι ενεργοποιημένο και αντίστροφα."
Η Susan Gasser, μοριακή βιολόγος στο Ινστιτούτο Βιοϊατρικής Έρευνας Friedrich Miescher στην Ελβετία, πιστεύει ότι οι ειδικοί θα διαπιστώσουν ότι η θέση στον πυρήνα είναι σημαντική για πολύ συγκεκριμένες διαδικασίες, όπως η επιδιόρθωση του DNA — αλλά ότι πολλές φορές, «αντίθετα μια χαρά -συντονίζει την γονιδιακή έκφραση." Η ανοικτή ή συμπυκνωμένη κατάσταση του ίδιου του DNA μπορεί να επηρεάσει περισσότερο. Ωστόσο, το CRISPR-GO μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δοκιμή αυτής της ιδέας, είπε.
Μπορεί επίσης να βοηθήσει στη διερεύνηση του ρόλου της πυρηνικής οργάνωσης στην ανάπτυξη και τις ασθένειες. Οι παθολόγοι χρησιμοποιούν την πυρηνική μορφολογία ως διαγνωστικό εργαλείο για μεγάλο χρονικό διάστημα:Οι αλλοιωμένες καταστάσεις και οι κατανομές του DNA συσχετίζονται με τον καρκίνο και άλλες καταστάσεις, όπως και η αύξηση του αριθμού ορισμένων πυρηνικών σωμάτων. Ωστόσο, δεν είναι σαφές εάν αυτά είναι τα αποτελέσματα της νόσου ή η αιτία της.
Τώρα ο Qi νιώθει ότι αυτός και άλλοι είναι σε θέση να το ανακαλύψουν. Μια μέρα, είπε, το σύστημα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί όχι μόνο για εξερεύνηση και βασική έρευνα, αλλά και ως μέσο θεραπείας.
Ακόμα κι έτσι, ορισμένοι ειδικοί εξακολουθούν να έχουν επιφυλάξεις. Ο Andrew Belmont, κυτταρικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Illinois στο Urbana-Champaign, προειδοποιεί ότι οι ερευνητές πρέπει ακόμη να επιβεβαιώσουν ότι η τεχνική τους αντανακλά με ακρίβεια τις φυσικές διεργασίες στο κύτταρο και όχι κάποια τεχνητή συνέπεια της διαδικασίας πρόσδεσης. Αυτός και οι συνάδελφοί του, μαζί με μερικές άλλες ομάδες, έχουν αναπτύξει εναλλακτικά συστήματα για να ξεπεράσουν αυτή την ανησυχία, τα οποία περιλαμβάνουν την εισαγωγή φυσικών αλληλουχιών σε στοχευμένες περιοχές DNA που συνδέονται συνήθως με το ένα ή το άλλο πυρηνικό σώμα. Ωστόσο, συμφωνεί ότι το CRISPR-GO αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός.
Ο Γκάτμαν συμφώνησε. "Προβλέπω ότι αυτό θα γίνει ένα απίστευτα ισχυρό εργαλείο για πολλούς στον τομέα για να αρχίσουν να αποκρυπτογραφούν αυτές τις πολύ παλιές και πολύ σημαντικές ερωτήσεις", είπε.
