Για δεκαετίες, η κυτταρική διαίρεση (η διαδικασία με την οποία ένα κύτταρο αναπαράγεται) θεωρούνταν ένα σημείο μηδέν για το DNA. Οι επιστήμονες πίστευαν ότι, καθώς τα χρωμοσώματα συρρικνώνονται και προετοιμάζονται να χωριστούν, η περίπλοκη τρισδιάστατη αρχιτεκτονική του γονιδιώματος διαλύεται προσωρινά, για να επαναδομηθεί εκ νέου μετά το τέλος της διαίρεσης. Όμως, μια νέα ανακάλυψη από το MIT έρχεται να ανατρέψει αυτή τη θεμελιώδη πεποίθηση.
Σύμφωνα με τη μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Nature Structural and Molecular Biology, ερευνητές του MIT ανακάλυψαν ότι μικροσκοπικοί βρόχοι DNA —γνωστοί ως microcompartments— όχι μόνο επιβιώνουν κατά τη διάρκεια της μίτωσης, αλλά μάλιστα γίνονται πιο ισχυροί. Αυτή η αναπάντεχη σταθερότητα ίσως εξηγεί πώς τα κύτταρα «θυμούνται» ποια γονίδια να ενεργοποιήσουν, διατηρώντας την ταυτότητά τους μέσα από τη διαδικασία της διαίρεσης.
«Η μίτωση θεωρούνταν πάντα ένα είδος “λευκού καμβά” — χωρίς γονιδιακή δραστηριότητα και χωρίς καμία δομή σχετική με τη ρύθμιση των γονιδίων», εξηγεί ο Anders Sejr Hansen, αναπληρωτής καθηγητής βιολογικής μηχανικής στο MIT. «Τώρα γνωρίζουμε ότι αυτό δεν ισχύει. Η δομή υπάρχει πάντα· απλώς αλλάζει μορφή».
Η ομάδα του Hansen, μαζί με τον Edward Banigan από το Institute for Medical Engineering and Science, κατάφερε να δει με πρωτοφανή λεπτομέρεια το εσωτερικό του γονιδιώματος χρησιμοποιώντας μια νέα τεχνική χαρτογράφησης, το Region-Capture Micro-C (RC-MC). Η μέθοδος αυτή παρέχει ανάλυση έως και χίλιες φορές υψηλότερη από τα προηγούμενα εργαλεία, επιτρέποντας στους ερευνητές να εξετάσουν επιμέρους περιοχές του DNA με εξαιρετική ακρίβεια.
Οι βρόχοι αυτοί, οι microcompartments, συνδέουν γονίδια με απομακρυσμένες ρυθμιστικές περιοχές του DNA, γνωστές ως enhancers, μικρά τμήματα που ενεργοποιούν ή απενεργοποιούν τη μεταγραφή των γονιδίων. Καθώς τα χρωμοσώματα συμπυκνώνονται στη μίτωση, αυτοί οι βρόχοι φαίνεται να ενισχύονται, φέρνοντας τις ρυθμιστικές περιοχές και τα γονίδια πιο κοντά.
«Η ενίσχυση αυτών των δεσμών μπορεί να είναι ο τρόπος με τον οποίο τα κύτταρα “θυμούνται” ποια γονίδια πρέπει να ενεργοποιήσουν μετά τη διαίρεση», αναφέρει ο Viraat Goel, υποψήφιος διδάκτορας στο MIT και κύριος συγγραφέας της μελέτης. «Για πρώτη φορά μπορούμε να συνδέσουμε άμεσα τη φυσική αρχιτεκτονική του γονιδιώματος με τη λειτουργία του στη ρύθμιση των γονιδίων».
Η ανακάλυψη αυτή δεν θα ήταν δυνατή χωρίς τη νέα γενιά εργαλείων χαρτογράφησης DNA. Για χρόνια, οι επιστήμονες χρησιμοποιούσαν την τεχνική Hi-C, η οποία είχε αναπτυχθεί από ερευνητές του MIT και του UMass Chan Medical School. Παρότι εξαιρετικά αποτελεσματική σε μεγάλες κλίμακες, το Hi-C δεν μπορούσε να ανιχνεύσει τις μικρές, λεπτομερείς αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στα enhancers και στους promoters των γονιδίων.
Η μέθοδος RC-MC του Hansen άλλαξε αυτό το τοπίο. Αντί να χαρτογραφεί ολόκληρο το γονιδίωμα, επικεντρώνεται σε μικρότερα, στοχευμένα τμήματα, κόβοντας το DNA σε ομοιόμορφα κομμάτια και δημιουργώντας τρισδιάστατους χάρτες υψηλής ανάλυσης. Έτσι, η ομάδα του MIT εντόπισε τις μικροσκοπικές δομές που είχαν περάσει απαρατήρητες με τις παλαιότερες τεχνικές.
Για να κατανοήσουν τη συμπεριφορά αυτών των microcompartments, οι ερευνητές παρακολούθησαν τα κύτταρα σε κάθε στάδιο της μίτωσης. Η επικρατούσα θεωρία υποστήριζε ότι, κατά τη διαίρεση, η μεταγραφή σταματά σχεδόν εντελώς και ότι η τρισδιάστατη δομή του DNA διαλύεται. Όμως, τα δεδομένα του MIT έδειξαν το ακριβώς αντίθετο.
«Πήγαμε σε αυτή τη μελέτη σίγουροι ότι δεν υπάρχει καμία ρυθμιστική δομή στη μίτωση — και καταλήξαμε να τη βρούμε εκεί», παραδέχεται ο Hansen. Οι microcompartments όχι μόνο δεν εξαφανίζονταν, αλλά παρουσίαζαν μεγαλύτερη σταθερότητα όσο τα χρωμοσώματα συμπυκνώνονταν.
Αντιθέτως, οι μεγαλύτερες δομές, όπως οι A/B compartments και οι TADs (topologically associating domains), εξαφανίζονταν όπως είχε ήδη παρατηρηθεί σε προηγούμενες μελέτες. Όμως, η ύπαρξη αυτών των μικροσκοπικών βρόχων αλλάζει ριζικά την κατανόηση της γονιδιωματικής οργάνωσης κατά τη διαίρεση των κυττάρων.
Η κ. Έφη Αποστόλου, αναπληρώτρια καθηγήτρια μοριακής βιολογίας στο Weill Cornell Medicine, σχολιάζει πως η μελέτη «αποκαλύπτει για πρώτη φορά λεπτομερή χαρακτηριστικά της χρωματίνης στη μίτωση που είχαμε παραβλέψει με τις κλασικές τεχνικές».
Η ανακάλυψη αυτή ίσως εξηγεί ένα ακόμη παλιό μυστήριο: την ξαφνική, βραχύβια αύξηση της γονιδιακής δραστηριότητας που έχει παρατηρηθεί στο τέλος της μίτωσης. Από τη δεκαετία του 1960, οι επιστήμονες θεωρούσαν ότι η μεταγραφή σταματά πλήρως κατά τη διαίρεση, μέχρι που έρευνες τη δεκαετία του 2010 αποκάλυψαν μια σύντομη «έκρηξη» γονιδιακής έκφρασης.
Η ομάδα του MIT εντόπισε ότι οι microcompartments σχηματίζονται ακριβώς κοντά στα γονίδια που παρουσιάζουν αυτή την προσωρινή αύξηση δραστηριότητας. Καθώς το DNA συμπυκνώνεται, οι enhancers και οι promoters έρχονται σε φυσική επαφή, σχηματίζοντας βρόχους που ενδέχεται να ενεργοποιούν προσωρινά τη μεταγραφή, πιθανότατα ως παρενέργεια της ίδιας της διαδικασίας της συμπύκνωσης.
Όταν η διαίρεση ολοκληρώνεται και το κύτταρο εισέρχεται στη φάση G1, οι περισσότεροι από αυτούς τους βρόχους αποδυναμώνονται ή εξαφανίζονται, επαναφέροντας τη γονιδιακή δραστηριότητα στα φυσιολογικά επίπεδα.
Οι ερευνητές του MIT σκοπεύουν τώρα να διερευνήσουν πώς παράγοντες όπως το μέγεθος και το σχήμα του κυττάρου επηρεάζουν αυτή τη μικρο-αρχιτεκτονική του DNA. Το ερώτημα που τίθεται είναι κρίσιμο: πώς επιλέγει το κύτταρο ποιους βρόχους να διατηρήσει και ποιους να απορρίψει μετά τη μίτωση; Η απάντηση ίσως μας φέρει πιο κοντά στην κατανόηση της ίδιας της κυτταρικής ταυτότητας, του τρόπου με τον οποίο ένα κύτταρο θυμάται ποιο είναι, ακόμη και μέσα στο χάος της διαίρεσης.
[source]
