מחקר חדש מסייע לפתור תעלומה גדולה בארגון ה- DNA שלנו

Anonim

לאחר עשרות שנים של מחקר שמטרתו להבין כיצד DNA מאורגן בתאים אנושיים, מדענים במכוני גלדסטון שופכים אור חדש על השדה המסתורי הזה על ידי גילוי כיצד חלבון מפתח מסייע לארגון הגן.

לבני אדם יש כמעט 30, 000 גנים שקובעים תכונות של צבע עיניים לסיכון למחלות תורשתיות. הגנים האלה יושבים לאורך שני מטרים של דנ"א, המאורגנים בקפידה בכרומוזומים וממולאים לתוך כל תא אנושי מיקרוסקופי.

"הדחיסה הקיצונית של הדנ"א לכרומוזומים היא כמו לקיחת חוט טלפון שנמתח מסן פרנסיסקו לניו יורק, ותוחבת אותו לתרמיל", תיאר בנואה ברונאו, דוקטורנט בכיר בחוקר הראשי של גלדסטון. "ארגון הכרומוזומים אינו אקראי, אלא מורכב מאוד, והוא קריטי להתפתחות תקינה, וכאשר תהליך זה משתבש, הוא יכול לתרום למחלות שונות".

כיצד מאורגנים הדנ"א שלנו?

הכרומוזומים מפותלים לתוך לולאות ומאורגנים לתחומים גדולים רבים הנקראים דומיינים מקושרים טופולוגית, או TAD. בתוך כל TAD, מספר גנים והאלמנטים המווסתים אותם ארוזים יחד, והם מבודדים מאלה הנמצאים ב- TADs שכנים.

"תארו לעצמכם TADs הם כמו חדרים סמוכים: כמו הגנים בכל TAD, אנשים בכל חדר יכולים לדבר אחד עם השני, אבל לא לאנשים בחדר הסמוך", הסביר אלפז נורה, דוקטורט, חוקר פוסט-דוקטורט במעבדה של ברונאו ומחבר ראשון של המחקר. "בעבודה קודמת הראינו ש- TADs מחלקים את הגנים יחד ומבודדים אותם מגנים סמוכים, והשאלה הבוערת הפכה אז: מה שולט בארגון TAD זה?"

במחקר החדש, שפורסם בכתב העת המדעי הנודע Cell, המדענים גילו כי המפתח לארגון TAD הוא חלבון הנקרא CTCF.

"CTCF הוא חלבון מרתק", אמר ברונאו, שהוא גם פרופסור באוניברסיטת קליפורניה בסן פרנסיסקו. "ניתן למצוא אותה בגבולות תחומים של TAD, ונחשבה בעבר כי היא מעורבת בהיבטים רבים של ארגון הכרומוזומים, רצינו לראות מה יקרה למבנה הכרומוזומים אם נסיר את כל ה- CTCF מהתאים".

CTCF: התבוננות בחלבון שאי אפשר ללמוד

חוקרים נאבקו עם לימוד התפקיד של CTCF בעבר, כי זה חיוני לחלוטין להישרדות של תאים. לכן, הסרת CTCF לחלוטין תגרום לתאים למות, מה שהופך אותם בלתי אפשרי ללמוד.

"השתמשנו בשיטה גנטית חדשה לחסל לחלוטין CTCF בתאי יונקים, " אמרה נורה. "באמצעות טכניקה זו, הרסנו את החלבון מהר מאוד כדי שנוכל לחקור את התאים לפני שמתו, דבר המאפשר לנו להסתכל על הגנום כולו בהעדר CTCF ולבחון את ההשפעות".

בשיתוף עם צוות ביולוגים חישוביים בראשות ליאוניד א 'מירני במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, וצוות ביוכימיים בראשות איוב דקר בבית הספר לרפואה של אוניברסיטת מסצ'וסטס, מדעני גלדסטון הוכיחו את החשיבות של CTCF לבידוד של TADs.

החוקרים ציינו כי בהיעדר חלבון ה- CTCF, גבולות הבידוד של תחומים של TAD נעלמו כמעט לחלוטין, כך שגורמים ורכיבים רגולטוריים יכולים כעת לקיים אינטראקציה עם אלו הנמצאים ב- TADs הסמוכים. "זה יהיה כמו להסיר את הקיר בין חדרים סמוכים, כך שאנשים יכולים עכשיו לתקשר באופן חופשי עם אחרים בחדר הסמוך."

עם זאת, היעדר CTCF היה השפעה מועטה על איך גנים להתחבר בתוך TAD יחיד. זה מציין כי CTCF נדרש לבידוד TADs זה מזה, אבל לא עבור גנים האריזה בתוך תחומים אלה. זה מייצג את המחקר הראשון מכריע להראות כי שני המנגנונים נפרדים ומבוקרים על ידי חלבונים שונים.

הגדרה מחדש של ההבנה של CTCF

כעת, לאחר שהמדענים הצליחו סוף סוף להסיר את ה- CTCF מהתאים ולשבש את ארגון ה- TADs, הם יכלו להתחיל לחקור את השפעתו על היבטים שונים של הגנום. הם מינו את היכולת החדשה הזו לבחון רמות אחרות של ארגון כרומוזומי.

"בדקנו את רמת הארגון הנקראת מידור, המפריד בין גנים פעילים ובלתי פעילים בתוך גרעין התא", אמרה נורה. "זה עוזר לתא לזהות אילו גנים להשתמש בהם, למשל, תאי העור אינם זקוקים לגנים הקשורים לעין, ולכן הגנים האלה יהיו ארוזים בחוזקה בתא ויכניסו אותם, כי התא לעולם לא ישתמש בהם. חושב גבולות של תחומים TAD היו תנאי מוקדם לארגון של תאים אלה. "

"להפתעתנו, מצאנו שזה לא המקרה, " אמר ברונו. "כאשר מחקנו את החלבון CTCF, אשר גרם לגבולות TAD להיעלם, לא ראינו שום השפעה על ארגון של תאים גדולים יותר.ממצא מעניין זה גילה כי מבנה CTCF ו TAD אינם נדרשים עבור מדרגת אלא, כי מנגנון עצמאי הוא האחראי לארגון הכרומוזומי הזה ".

"הממצאים שלנו מגדירים מחדש את תפקידה של CTCF בתקנה גנטית ומספקים תובנות חדשות לגבי התהליכים הבסיסיים השולטים בארגון הגנום", הוסיף ברונאו. "בעזרת ידע זה, אנו יכולים כעת להעריך מחדש את הגורם למחלות שונות, שכן ארגון כרומוזומים - כולל TADs - נפגע לעיתים קרובות בסוגי סרטן רבים ומעורב במומים התפתחותיים משמעותיים, כגון מחלת לב מולדת".

לפני פרסומה בכתב העת "עמית", הוצגה גרסה ראשונית של המחקר ב- bioRxiv, שירות הפצה פתוח להדפסה מוקדמת במדעי החיים, והורדת כמעט 5, 000 פעמים במהלך החודשים האחרונים.

"אתרי אינטרנט כאלו מציעים דרכים חדשות, מרגשות, וישירות יותר לשתף תוצאות מחקר", אמר ברונאו. "זה גם סיפק לנו קלט בעל ערך שסייע לעצב את כתב היד הסופי שלנו ומחקר עתידי."

menu
menu