به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، بخش عمده ای از ژنوم انسان از نواحی تنظیمی تشکیل شده است که کنترل می‌کنند کدام ژن در یک زمان معین در یک سلول بیان می‌شود. این عناصر تنظیمی می‌توانند در نزدیکی یک ژن هدف یا تا 2 میلیون جفت باز دورتر از هدف قرار گیرند. برای فعال کردن فعل و انفعالات، ژنوم خود را در یک ساختار سه بعدی حلقه می‌کند که مناطق دوردست را به هم نزدیک کند. با استفاده از یک تکنیک جدید، محققان MIT نشان داده‌اند که می‌توانند این تعاملات را با وضوح 100 برابر بالاتر از آنچه قبلا ممکن بود ترسیم کنند.

تعامل ژن ها با ده‌ها عنصر تنظیم‌کننده مختلف

Anders Sejr Hansen Un، استادیار مهندسی بیولوژیکی در MIT و نویسنده ارشد این مطالعه. می‌گوید: «با استفاده از این روش، ما می‌توانیم نقشه‌هایی با بالاترین وضوح از ژنوم، تعاملات بین تقویت‌کننده‌ها و پروموترهایی را که قبلاً دیده نشده‌انددرحالت سه‌بعدی تولید ‌کنیم. ما از اینکه می‌توانیم لایه جدیدی از ساختار سه‌بعدی را با وضوح بالا آشکار کنیم، هیجان‌زده هستیم. یافته‌های محققان نشان می‌دهد که بسیاری از ژن‌ها با ده‌ها عنصر تنظیم‌کننده مختلف تعامل دارند، اگرچه مطالعات بیشتری برای تعیین اینکه کدام یک از این برهمکنش‌ها برای تنظیم یک ژن خاص مهم‌تر هستند، مورد نیاز است. Viraat Goel، دانشجوی فارغ التحصیل MIT و مایلز حسین، دانشجوی پسادکتر MITو همچنین نویسنده اصلی این مقاله، می‌گوید: «محققان اکنون می‌توانند تعاملات بین ژن‌ها و تنظیم کننده‌های آن‌ها را به صورت مقرون به صرفه مطالعه کنند و دنیایی از امکانات را نه تنها برای ما، بلکه برای ده ها آزمایشگاهی که قبلاً به روش ما ابراز علاقه کرده‌اند، باز کنند. نویسندگان اصلی مقاله ما هیجان زده هستیم که ابزاری را برای جامعه تحقیقاتی به ارمغان بیاوریم که به آنها کمک کند مکانیسم‌های تنظیم کننده ژن را از هم جدا کنند." یافته های این مطالعه 8 می، در Nature Genetics منتشر شده است.

نقشه برداری با وضوح بالا

دانشمندان تخمین می‌زنند که بیش از نیمی از ژنوم متشکل از عناصر تنظیم کننده‌ای است که ژن‌ها را کنترل می‌کنند که تنها حدود 2 درصد از ژنوم را تشکیل می‌دهند. مطالعات ارتباط گسترده ژنوم، که انواع ژنتیکی را با بیماری‌های خاص مرتبط می‌کند، انواع مختلفی را که در این مناطق تنظیمی ظاهر می‌شوند، را شناسایی کرده اند. تعیین اینکه این عناصر تنظیمی با کدام ژن‌ها تعامل دارند، می‌تواند به محققان در درک چگونگی ایجاد این بیماری‌ها و به طور بالقوه نحوه درمان آنها کمک کند. اما باید بدانیم که کشف این فعل و انفعالات مستلزم نقشه برداری این است که کدام بخش از ژنوم در زمانی که کروموزوم‌ها در هسته قرار می‌گیرند با یکدیگر تعامل می‌کنند. کروموزوم‌ها در واحدهای ساختاری به نام نوکلئوزوم سازماندهی می‌شوند ( رشته هایی از DNA که به طور محکم در اطراف پروتئین‌ها پیچیده شده‌اند) ، همین ساختار به کروموزوم‌ها کمک می‌کنند تا در محدوده های کوچک هسته قرار بگیرند. بیش از یک دهه پیش، تیمی متشکل از محققان MIT روشی به نام Hi-C را توسعه دادند که نشان داد ژنوم به عنوان یک "گلبول فراکتال" سازماندهی شده است که به سلول اجازه می‌دهد تا DNA خود را محکم بسته بندی کند و در عین حال از گره‌ها جلوگیری کند. این معماری همچنین به DNA اجازه می‌دهد تا در صورت نیاز به راحتی باز شود و تا شود.

معرفی روشی به نام Hi-C

برای انجام Hi-C، محققان از آنزیم‌های محدودکننده استفاده می‌کنند تا ژنوم را به قطعات کوچک زیادی برش دهند و قطعاتی را که در نزدیکی یکدیگر در فضای سه‌بعدی درون هسته سلول قرار دارند، به‌صورت بیوشیمیایی پیوند دهند. سپس آنها هویت قطعات در حال تعامل را با تقویت و توالی آنها تعیین می‌کنند. در حالی که Hi-C اطلاعات زیادی در مورد سازماندهی کلی سه بعدی ژنوم نشان می‌دهد، وضوح محدودی برای انتخاب تعاملات خاص بین ژن‌ها و عناصر تنظیم کننده مانند تقویت کننده‌ها دارد. تقویت‌کننده‌ها توالی‌های کوتاهی از DNA هستند که می‌توانند به فعال کردن رونویسی یک ژن با اتصال به پروموتر ژن-محل شروع رونویسی- کمک کنند.

معرفی فناوری جدیدتری به نام Micro-C

برای دستیابی به وضوح لازم برای یافتن این تعاملات، تیم MIT بر اساس فناوری جدیدتری به نام Micro-C ساخته شد که توسط محققان دانشکده پزشکی دانشگاه ماساچوست به رهبری Stanley Hsieh و Oliver Rando اختراع شد. Micro-C برای اولین بار در سال 2015 در مخمرهای جوانه زده استفاده شد و متعاقباً در سه مقاله منتشر شده در Molecular Cell در سال های 2019 و 2020 توسط محققانی از جمله Hansen، Hsieh، Rando و دیگران در دانشگاه کالیفرنیا در برکلی و دانشکده پزشکی UMass در سلول‌های پستانداران استفاده شد. روش Micro-C  با استفاده از آنزیمی به نام میکروکوکال نوکلئاز برای خرد کردن ژنوم به وضوح بالاتری نسبت به Hi-C به انجام می‌رسد. آنزیم‌های محدود کننده Hi-C ژنوم را تنها در توالی‌های DNA خاصی که به طور تصادفی توزیع شده‌اند، برش می‌دهند و در نتیجه قطعات DNA با اندازه های متفاوت و بزرگتر ایجاد می‌شود. در مقابل، نوکلئاز میکروکوکی به طور یکنواخت ژنوم را به قطعاتی به اندازه نوکلئوزومی برش می‌دهد که هر کدام شامل 150 تا 200 جفت باز DNA است. این یکنواختی قطعات کوچک به Micro-C وضوح بالاتری نسبت به Hi-C می‌دهد.

معرفی روشی به نام Region Capture Micro-C

 با این حال، از آنجایی که Micro-C کل ژنوم را بررسی می‌کند، این رویکرد هنوز به وضوح به اندازه کافی بالا برای شناسایی انواع تعاملاتی که محققان می‌خواستند ببینند، به دست نیاورده است. به عنوان مثال، اگر می‌خواهید به نحوه تعامل 100 مکان ژنومی مختلف با یکدیگر نگاه کنید، باید حداقل 100 را در 100 ضرب در 10000 ترتیب دهید. ژنوم انسان بسیار بزرگ است و دارای حدود 22 میلیون مکان با وضوح نوکلئوزوم است. بنابراین، نقشه برداری Micro-C از کل ژنوم انسان به حداقل ۲۲ میلیون ضرب در ۲۲ میلیون خواندن توالی نیاز دارد که بیش از ۱ میلیارد دلار هزینه دارد. برای کاهش این هزینه، این تیم راهی برای انجام توالی هدفمندتر از فعل و انفعالات ژنوم ابداع کردند که به آنها اجازه می‌دهد بر بخش‌هایی از ژنوم که حاوی ژن‌های مورد علاقه هستند تمرکز کنند. با تمرکز بر مناطقی که چند میلیون جفت پایه را در بر می‌گیرند، تعداد مکان‌های ژنومی احتمالی هزار برابر کاهش می‌یابد و هزینه‌های توالی یابی نیز یک میلیون برابر کاهش می‌یابد و به حدود 1000 دلار می‌رسد. روش جدید که Region Capture Micro-C (RCMC) نامیده می‌شود، بنابراین می‌تواند نقشه‌هایی را با هزینه‌ای 100 برابر غنی‌تر از سایر تکنیک‌های منتشر شده برای کسری از هزینه تولید کند.

اکنون ما روشی برای دریافت نقشه‌های ساختار ژنوم سه بعدی با وضوح فوق العاده بالا به روشی بسیار مقرون به صرفه داریم. هانسن می‌گوید: قبلاً از نظر مالی بسیار غیرقابل دسترس بود زیرا برای دستیابی به وضوح بالا به میلیون‌ها، اگر نه میلیاردها دلار نیاز داشتید. تنها محدودیت این است که نمی‌توانید کل ژنوم را بدست آورید، بنابراین باید بدانید تقریباً به چه ژنی وچه منطقه‌ای علاقه دارید، تا بتوانید با وضوح بسیار بالا، بسیار مقرون به صرفه اطلاعات  مربوط به آن را دریافت کنید."

بررسی تعاملات تنظیمی ژن مهم Sox2

در این مطالعه، محققان بر روی پنج منطقه با اندازه‌های متفاوت از صدها هزار تا حدود 2 میلیون جفت پایه تمرکز کردند که به دلیل ویژگی‌های جالبی که توسط مطالعات قبلی آشکار شده بود، انتخاب کردند. اینها شامل یک ژن با مشخصه به نام Sox2 است که نقش کلیدی در تشکیل بافت در طول رشد جنین ایفا می کند. پس از گرفتن و توالی‌یابی بخش‌های DNA مورد نظر، محققان تقویت‌کننده‌های زیادی را یافتند که با Sox2 برهمکنش می‌کنند، و همچنین برهم‌کنش‌هایی بین ژن‌های مجاور و تقویت‌کننده‌هایی که قبلا دیده نشده بودند، یافتند.

ایجاد ریز محفظه‌هایی در DNA

در مناطق دیگر، به‌ویژه مناطقی که مملو از ژن‌ها و تقویت‌کننده‌ها بودند، برخی از ژن‌ها با 50 بخش DNA دیگر برهم‌کنش داشتند و به‌طور میانگین هر مکان متقابل با 25 بخش دیگر ارتباط داشت. حسین می‌گوید: «مردم قبلاً چندین برهمکنش را از یک بیت DNA دیده‌اند، اما معمولاً در حد دو یا سه است، بنابراین دیدن این تعداد زیادی از آنها از نظر تفاوت بسیار مهم بود. با این حال، تکنیک محققان نشان نمی‌دهد که آیا همه آن تعاملات به طور همزمان یا در زمان‌های مختلف رخ می‌دهد یا اینکه کدام یک از آن تعاملات مهم ترین هستند. محققان همچنین دریافتند که به نظر می‌رسد DNA خود را به «ریز محفظه‌های» تودرتو می‌پیچد که این تعاملات را تسهیل می‌کند، اما آنها قادر به تعیین چگونگی تشکیل ریزمحفظه‌ها نبودند. محققان امیدوارند که مطالعه بیشتر در مورد مکانیسم‌های اساسی بتواند این سوال اساسی را در مورد چگونگی تنظیم ژن‌ها روشن کند. Goel می‌گوید: «اگرچه در حال حاضر نمی‌دانیم چه چیزی ممکن است باعث ایجاد این ریزمحفظه‌ها شود، و همه این سؤالات باز را پیش روی خود داریم، حداقل ابزاری برای پرسیدن واقعاً دقیق این سؤالات داریم.

علاوه بر پیگیری این سؤالات، تیم MIT همچنین قصد دارد با محققان بیمارستان کودکان بوستون همکاری کند تا این نوع تجزیه و تحلیل را در مناطق ژنومی که در مطالعات انجمن گسترده ژنوم با اختلالات خونی مرتبط هستند، اعمال کنند. آنها همچنین با محققان دانشکده پزشکی هاروارد برای مطالعه انواع مرتبط با اختلالات متابولیک همکاری می‌کنند.

پایان مطلب/.