Η μελέτη βρίσκει ότι οι βρόχοι του γονιδιώματος δεν διαρκούν πολύ σε κύτταρα:Θεωρίες για το πώς μπορεί να χρειαστεί η έκφραση γονιδίου ελέγχου
Οι ερευνητές ανέπτυξαν έναν υπολογιστικό αγωγό που ενσωματώνει και αναλύει απεικόνιση ενός κυττάρου, δεδομένα μικροσκοπίας και άλλα σύνολα δεδομένων σε επίπεδο γονιδιώματος. Κάλεσαν την προσέγγιση COLA (συν-εντοπισμός και ανάλυση βρόχου). Το COLA βρίσκει συμβάντα Looping DNA σε εικόνες μικροσκοπίας σούπερ ανάλυσης και τα συνδέει με τις ανάγνωση δραστηριοτήτων που μετράται σε όλο το γονιδίωμα, όπως η δέσμευση RNA πολυμεράσης.
Χρησιμοποιώντας την COLA, η ομάδα σπούδασε γεγονότα βρόχου σε τέσσερις γονιδιωματικούς τόπους που είναι γνωστό ότι αλληλεπιδρούν σε μεγάλη εμβέλεια. Παραδόξως, διαπίστωσαν ότι οι μεμονωμένοι βρόχοι σπάνια διαρκούν περισσότερο από λίγα λεπτά, και πολλοί είναι εξαιρετικά δυναμικοί, υποβάλλονται σε γρήγορη συναρμολόγηση και αποσυναρμολόγηση. Αυτά τα αποτελέσματα αμφισβητούν την επικρατούσα άποψη ότι οι γονιδιωματικές επαφές αντικατοπτρίζουν σταθερές, επίμονες δομές χρωματίνης που διατηρούν μεταγραφικά προγράμματα. Αντ 'αυτού, η ομάδα προτείνει ένα μοντέλο όπου οι βρόχοι είναι μεταβατικοί και σχηματίζονται μόνο παροδικά ως απάντηση σε συγκεκριμένες ρυθμιστικές ενδείξεις.
"Οι βρόχοι βρίσκονται παντού στα κύτταρα, αλλά είναι πολύ πιο παροδικοί από ό, τι έχει εκτιμήσει προηγουμένως", δήλωσε ο συν-συμπατριώτης Gene Yeo, PhD, καθηγητής της κυτταρικής και μοριακής ιατρικής και διευθυντής του Κέντρου Βιολογίας RNA στο UC San Diego School of Medicine. "Τα ευρήματά μας ανατρέπουν την υπόθεση ότι αυτοί οι βρόχοι είναι σκληρά χαρακτηριστικά που είναι σκληρά και υποδηλώνουν ότι ο σχηματισμός βρόχου ρυθμίζεται δυναμικά".
Πώς τα κύτταρα διαβάζουν το γονιδίωμα για να δημιουργήσουν λειτουργικά προϊόντα
Τα κύτταρα πρέπει να ρυθμίζουν αυστηρά τον τρόπο με τον οποίο διαβάζουν οδηγίες από τα γονιδιώματα τους για να παράγουν λειτουργικά προϊόντα, όπως πρωτεΐνες που εκτελούν διάφορες κυτταρικές λειτουργίες. Ο τρόπος με τον οποίο τα κύτταρα συσκευάζουν, οργανώνουν και διπλώνουν τα γονιδιώματα τους σε τρεις διαστάσεις παίζουν κρίσιμο ρόλο στη ρύθμιση των γονιδίων. Αυτές οι οργανωτικές αρχές καθορίζουν ποια τμήματα του DNA έχουν πρόσβαση και ερμηνεύονται από τα κυτταρικά μηχανήματα που είναι υπεύθυνα για την ανάγνωση και τη μεταγραφή γονιδίων.
Η πιο θεμελιώδης μονάδα αναδίπλωσης του γονιδιώματος περιλαμβάνει βρόχο, όπου οι μακρινές περιοχές του DNA έρχονται σε επαφή μεταξύ τους για να βοηθήσουν στην ενορχηστρώση της γονιδιακής έκφρασης. Οι βρόχοι πιστεύεται ότι συγκεντρώνουν πρωτεΐνες που οδηγούν την γονιδιακή έκφραση, επιτρέποντάς τους να αλληλεπιδρούν και να εκτελούν αποτελεσματικά τις λειτουργίες τους.
Το COLA φωτίζει τη δυναμική φύση των βρόχων DNA
Η προσέγγιση COLA επιτρέπει στους ερευνητές να απεικονίζουν ταυτόχρονα βρόχους και άλλα γονιδιωματικά χαρακτηριστικά, καταγράφοντας χωρικές και χρονικές σχέσεις σε πρωτοφανείς λεπτομέρειες. "Έχουμε τώρα μια μέθοδο που μπορεί να συσχετίσει άμεσα τις αλλαγές στην κατοχή RNA πολυμεράσης με συγκεκριμένες αλλαγές βρόχου σε μεμονωμένα κύτταρα", δήλωσε ο συν-πρώτος συγγραφέας Michael Niculescu III, μεταπτυχιακός φοιτητής στο εργαστήριο YEO.
Οι ερευνητές λένε ότι τα ευρήματά τους έχουν ευρείες επιπτώσεις στην κατανόηση της γονιδιακής έκφρασης και της οργάνωσης του γονιδιώματος. Για παράδειγμα, υποδηλώνουν ότι η δυναμική και κυμαινόμενη φύση των βρόχων θα μπορούσε να επιτρέψει στα κύτταρα να ανταποκρίνονται γρήγορα σε περιβαλλοντικές αλλαγές ή αναπτυξιακές ενδείξεις. Στον καρκίνο και τις νευροεκφυλιστικές ασθένειες, αυτή η ευελιξία μπορεί επίσης να επιτρέψει στα κύτταρα να μεταβάλλουν ταυτότητες κυττάρων και να επαναπρογραμματίζουν προγράμματα γονιδιακής έκφρασης.
"Υπάρχουν πολλά που μπορούμε τώρα να κάνουμε με αυτό το εργαλείο", δήλωσε ο συν-πρώτος συγγραφέας Matthew Huynh, μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο εργαστήριο Yeo. "Μπορούμε να δοκιμάσουμε νέες υποθέσεις και να διερευνούμε τις ρυθμιστικές αλλαγές που σχετίζονται με την ασθένεια με τρόπους που δεν μπορούσαμε πριν."
Πρόσθετοι συν-συγγραφείς
Πρόσθετοι συν-συγγραφείς αυτής της μελέτης είναι:Yuzuru Kido, UC San Diego; James McGinnis, UC San Diego. και Nicholas Ingolia, UC Berkeley.
Η έρευνα αυτή χρηματοδοτήθηκε εν μέρει από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας (R35 GM143669, T32 GM007240), το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (MCB-2110538), το Ίδρυμα Simons (540333) και το Ινστιτούτο Ludwig για την έρευνα για τον καρκίνο.
