يحل علماء سالك لغزًا بيولوجيًا قديمًا يتعلق بتنظيم الحمض النووي

27 يوليو، 2017

يحل علماء سالك لغزًا بيولوجيًا قديمًا يتعلق بتنظيم الحمض النووي

صور الباحثون لأول مرة جينوم ثلاثي الأبعاد في نواة خلية بشرية حية

27 يوليو، 2017

LA JOLLA - امتد الحمض النووي من جميع الخلايا في أجسامنا إلى بلوتو. إذن ، كيف تحزم كل خلية صغيرة بطول مترين من الحمض النووي في نواتها ، والتي يبلغ عرضها جزء من ألف من المليمتر؟

تُعد الإجابة على هذا اللغز البيولوجي المخيف أمرًا أساسيًا لفهم كيفية تأثير التنظيم ثلاثي الأبعاد للحمض النووي في النواة على بيولوجيتنا ، بدءًا من كيفية تنسيق جينومنا لنشاطنا الخلوي إلى كيفية انتقال الجينات من الآباء إلى الأطفال.

الآن ، قدم العلماء في معهد Salk وجامعة كاليفورنيا ، سان دييغو ، لأول مرة عرضًا غير مسبوق للبنية ثلاثية الأبعاد للكروماتين البشري - مزيج من الحمض النووي والبروتينات - في نواة الخلايا البشرية الحية.

في دراسة جولة القوة الموصوفة في علوم في 27 يوليو 2017 ، حدد باحثو Salk صبغة جديدة للحمض النووي والتي ، عند إقرانها بالفحص المجهري المتقدم في تقنية مدمجة تسمى ChromEMT ، تسمح بتصور مفصل للغاية لهيكل الكروماتين في الخلايا في مراحل الراحة والانقسام (الانقسام). من خلال الكشف عن بنية الكروماتين النووي في الخلايا الحية ، قد يساعد العمل في إعادة كتابة نموذج الكتاب المدرسي لتنظيم الحمض النووي وحتى تغيير طريقة تعاملنا مع علاجات المرض.

"أحد التحديات الأكثر صعوبة في علم الأحياء هو اكتشاف البنية العليا للحمض النووي في النواة وكيف يرتبط ذلك بوظائفه في الجينوم"، كما يقول أستاذ مشارك في سالك. كلوداغ أوشي، باحث في هيئة تدريس معهد هوارد هيوز الطبي وكبير مؤلفي الورقة. "إنه ذو أهمية كبيرة، لأن هذا هو التركيب البيولوجي للحمض النووي الذي يحدد وظيفة الجين ونشاطه."

منذ أن حدد فرانسيس كريك وجيمس واتسون أن البنية الأولية للحمض النووي هي حلزون مزدوج، تساءل العلماء عن كيفية تنظيم الحمض النووي بشكل أكبر للسماح بطوله بالكامل بالتراكم في النواة بحيث يمكن لآلية النسخ في الخلية الوصول إليه في نقاط مختلفة في النواة. دورة نشاط الخلية. أظهرت الأشعة السينية والمجهر أن المستوى الأساسي لتنظيم الكروماتين يتضمن 147 قاعدة من الحمض النووي تلتف حول البروتينات لتشكل جزيئات يبلغ قطرها حوالي 11 نانومتر (نانومتر) تسمى النيوكليوسومات. ويُعتقد بعد ذلك أن هذه "الخرزات الموجودة على خيط" النيوكليوزوم تطوى إلى ألياف منفصلة ذات قطر متزايد (30، 120، 320 نانومتر وما إلى ذلك)، حتى تشكل الكروموسومات. المشكلة هي أنه لم يرى أحد الكروماتين بهذه الأحجام المتوسطة المنفصلة في الخلايا التي لم يتم تفكيكها وتمت معالجة الحمض النووي الخاص بها بقسوة، لذلك ظل النموذج المدرسي للتنظيم الهرمي العالي للكروماتين في الخلايا السليمة غير مثبت.

وللتغلب على مشكلة تصور الكروماتين في نواة سليمة، قام فريق أوشي بفحص عدد من الأصباغ المرشحة، وعثروا في نهاية المطاف على واحدة يمكن معالجتها بدقة بالضوء لإخضاعها لسلسلة معقدة من التفاعلات الكيميائية التي من شأنها أن "ترسم" سطح المادة. الحمض النووي مع المعدن بحيث يمكن تصوير بنيته المحلية وتنظيم البوليمر ثلاثي الأبعاد في خلية حية. تعاون الفريق مع أستاذ جامعة كاليفورنيا في سان دييغو وخبير الفحص المجهري مارك إليزمان، أحد المؤلفين المشاركين في الورقة، لاستغلال شكل متقدم من المجهر الإلكتروني الذي يميل العينات في شعاع إلكتروني مما يتيح إعادة بناء هيكلها ثلاثي الأبعاد. ومن خلال الجمع بين صبغة الكروماتين والتصوير المقطعي بالمجهر الإلكتروني، قاموا بإنشاء ChromEMT.

استخدم الفريق ChromEMT لتصوير وقياس الكروماتين في راحة الخلايا البشرية وأثناء انقسام الخلية عندما يتم ضغط الحمض النووي في أكثر أشكاله كثافة - 23 زوجًا من الكروموسومات الانقسامية التي تمثل الصورة الرمزية للجينوم البشري. والمثير للدهشة أنهم لم يروا أيًا من الهياكل ذات الترتيب الأعلى لنموذج الكتاب المدرسي في أي مكان.

يقول هورنج أو، الباحث المشارك في سالك والمؤلف الأول للدراسة: "إن نموذج الكتاب المدرسي عبارة عن رسم كاريكاتوري لسبب ما". "الكروماتين الذي تم استخلاصه من النواة وإخضاعه للمعالجة في المختبر - في أنابيب الاختبار - قد لا يبدو مثل الكروماتين في خلية سليمة، لذلك من المهم للغاية أن نكون قادرين على رؤيته في الجسم الحي."

ما رآه فريق أوشي، في كل من الخلايا الساكنة والمنقسمة، هو الكروماتين الذي لا تشكل "خرزاته على خيط" أي بنية ذات ترتيب أعلى مثل 30 أو 120 أو 320 نانومتر. وبدلاً من ذلك، شكلت سلسلة شبه مرنة، والتي تم قياسها بعناية على أنها تتنوع بشكل مستمر على طولها بين 5 و24 نانومتر فقط، وتنحني وتنثني لتحقيق مستويات مختلفة من الضغط. يشير هذا إلى أن كثافة تعبئة الكروماتين، وليس بعض الهياكل ذات الترتيب الأعلى، هي التي تحدد مناطق الجينوم النشطة وأيها يتم قمعها.

من خلال عمليات إعادة البناء المجهرية ثلاثية الأبعاد، تمكن الفريق من التحرك عبر حجم 3 نانومتر × 250 نانومتر × 1000 نانومتر من تقلبات الكروماتين، وتصور كيف يمكن توجيه جزيء كبير مثل بوليميراز الحمض النووي الريبي، الذي ينقل (نسخ) الحمض النووي، بواسطة كثافة التعبئة المتغيرة للكروماتين، مثل طائرة ألعاب فيديو تحلق عبر سلسلة من الأخاديد، إلى مكان معين في الجينوم. إلى جانب احتمالية قلب النموذج التقليدي لتنظيم الحمض النووي رأسًا على عقب، تشير نتائج الفريق إلى أن التحكم في الوصول إلى الكروماتين يمكن أن يكون طريقة مفيدة للوقاية من أمراض مثل السرطان وتشخيصها وعلاجها.

ويضيف أوشي: "لقد أظهرنا أن الكروماتين لا يحتاج إلى تكوين هياكل منفصلة ذات ترتيب أعلى لتتلاءم مع النواة". "إنها كثافة التعبئة التي يمكن أن تتغير وتحد من إمكانية الوصول إلى الكروماتين، مما يوفر أساسًا هيكليًا محليًا وعالميًا يمكن من خلاله دمج مجموعات مختلفة من تسلسل الحمض النووي والتغيرات والتعديلات النووية في النواة لضبط النشاط الوظيفي وإمكانية الوصول بشكل رائع. من الجينوم لدينا."

سوف يدرس العمل المستقبلي ما إذا كانت بنية الكروماتين عالمية بين أنواع الخلايا أو حتى بين الكائنات الحية.

ومن بين المؤلفين الآخرين سيباستيان فان وتوماس ديرينك وأندريا ثور من جامعة كاليفورنيا في سان دييغو.

تم تمويل العمل إلى حد كبير من قبل مؤسسة WM Keckأطلقت حملة مبادرة NIH 4D Nucleome Roadmap و مبادئ السلوك معهد هوارد هيوز الطبي، مع دعم إضافي من وليام سكاندلينج ترستأطلقت حملة مؤسسة عائلة السعر و مبادئ السلوك ليونا م. وهاري بي هيلمسلي.