به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، کروموزوم‌هایی که اطلاعات ژنتیکی ما را ذخیره می‌کنند، علیرغم اینکه به‌طور متراکم در هسته قرار می‌گیرند، همیشه در حرکت هستند. این به نواحی خاصی اجازه می‌دهد تا در تماس باشند و در نتیجه یک ژن را فعال کنند. یک گام مهم در تنظیم ژن، برخورد فیزیکی جفت‌های پراکنده تقویت کننده (enhancer) و محرک (promoter) در سراسر ژنوم است. با این حال، چگونگی یافتن عناصر DNA دیستال در فضای هسته‌ای نامشخص است. گروهی از دانشمندان مؤسسه علم و فناوری اتریش (ISTA)، دانشگاه پرینستون و انستیتو پاستور در پاریس اکنون این فرآیند پویا را تجسم کرده و بینش جدیدی در مورد ویژگی‌های فیزیکی DNA ارائه می‌کنند. به بیانی دیگر بروکنر و همکاران توانستند حرکت سه بعدی جفت جایگاه‌های DNA با جدایی‌های مختلف در امتداد کروموزوم و خروجی رونویسی آنها در رشد جنین مگس را تجسم کنند. آنها ترکیبی غیرمنتظره از بسته بندی متراکم و انتشار سریع پیدا کردند که منجر به زمان‌هایی با وابستگی ضعیف به جداسازی ژنومی شد. این نتایج نشان می‌دهد که تماس‌های رونویسی در فواصل بزرگ ژنومی امکان‌پذیر است، که پیامدهای مهمی برای تنظیم ژن دارد.

مجسم کردن حرکت تصادفی دو عنصر ژنی خاص

انجام علوم پیشرفته مستلزم تفکر خارج از چارچوب و گرد هم آوردن رشته‌های علمی مختلف است. گاهی اوقات این به معنای قرار گرفتن در مکان مناسب و در زمان مناسب است. برای دیوید بروکنر، محقق فوق دکترا و همکار NOMIS در ISTA، همه موارد ذکر شده در بالا با شرکت در یک سخنرانی در محوطه دانشگاه توسط پروفسور توماس گرگور از دانشگاه پرینستون به اجرا درآمد. بروکنر با الهام از این سخنرانی، ایده‌ای را مطرح کرد: تفسیر فیزیکی مجموعه داده‌های خاصی که گرگور ارائه کرده است. اکنون نتایج همکاری آنها در Science منتشر شده است. آنها حرکت تصادفی دو عنصر ژنی خاص را روی یک کروموزوم نشان دادند، که برای فعال شدن ژن در فضای سه بعدی باید در تماس باشند.

روش‌های مجسم کردن قرار گرفتن DNA در هسته سلول

اینکه چگونه فیبر کروماتین خطی به صورت سه بعدی در فضای هسته ای تا می‌شود و چگونه این حالات ساختاری با بیان ژن در شرایط سالم و پاتولوژیک مرتبط هستند، در دهه‌های گذشته توجه زیادی را به خود جلب کرده است. روش‌های مبتنی بر هیبریداسیون درجا-فلورسانس DNA (DNA-FISH) و جذب ترکیب کروموزومی (3C) در پیشبرد دانش ما در مورد سازماندهی سه بعدی عملکردی الیاف کروموزومی عامل اصلی بوده است. این دو روش مکمل می‌توانند توزیع احتمالات ساختاری را در جمعیتی از سلول‌ها در یک نقطه زمانی مشخص، زمانی که حالت‌های ساختاری به هم متصل می‌شوند، به تصویر بکشند. با این حال، روش‌های DNA-FISH و 3C در تنظیم، در سوگیری‌های تجربی و در اطلاعاتی که در مورد ترکیب‌های کروموزومی ارائه می‌کنند، متمایز هستند.

نحوه قرار گرفتن DNA در هسته سلول

موجودات زنده مانند انسان بر روی ژن‌هایی ساخته شده اند که در نقشه مولکولی DNA ذخیره شده اند. DNA یک پلیمر است، یک مولکول عظیم از قطعات کوچکتر (مونومر) که در هسته هر سلول قرار دارد. بروکنر توضیح می‌دهد: بسته به ارگانیسم، پلیمر DNA می تواند تا چند متر طول داشته باشد، با این حال اندازه هسته در حد میکرون است. برای قرار گرفتن در هسته کوچک، DNA باید مشابه پیچیده شدن روی یک قرقره فشرده شود و بیشتر به شکل شناخته شده کروموزوم‌ها فشرده شود، که همه ما در یک کتاب درسی زیست شناسی با آن مواجه شده ایم. این فیزیکدان ادامه می‌دهد: «علیرغم اینکه کروموزوم‌ها به شدت متراکم هستند، ولی ایستا نیستند، آنها همیشه در حال چرخش هستند. این پویایی‌ها بسیار مهم هستند. هر زمان که یک ژن خاص باید فعال شود، دو ناحیه روی پلیمر به نام‌های "تقویت‌دهنده" و "پروموتر" باید در تماس نزدیک قرار گیرند و به یکدیگر متصل شوند. تنها زمانی که این اتفاق می‌افتد، یک ماشین سلولی اطلاعات ژن را می‌خواند و مولکول RNA را تشکیل می‌دهد، که در نهایت پروتئین‌هایی را به وجود می‌آورد که برای تمام فرآیندهایی که یک موجود زنده به آن نیاز دارد، ضروری است. بسته به ارگانیسم، تقویت کننده و پروموتر می توانند در کروموزوم کاملاً از یکدیگر دور باشند. بروکنر توضیح می‌دهد با مشاهده این پویایی کروموزوم، دانشمندان که شیفته این اطلاعات گم شده بودند، تصمیم گرفتند نگاهی پویا به نحوه سازماندهی این عناصر و نحوه حرکت آنها در فضای سه بعدی در زمان واقعی داشته باشند.

تجسم مناطق ژنی

برای دستیابی به این هدف، دانشمندان تجربی از پرینستون روشی را برای ردیابی این دو عنصر DNA در یک دوره زمانی معین در جنین مگس ایجاد کردند. از طریق دستکاری ژنتیکی، عناصر DNA به‌صورت فلورسنت نشان‌گذاری شدند که ناحیه تقویت‌کننده به رنگ سبز و پروموتر به رنگ آبی روشن می‌شد. دانشمندان با استفاده از تصویربرداری زنده (میکروسکوپ تایم لپس سلول‌های زنده) توانستند نقاط فلورسنت را در جنین‌های مگس تجسم کنند تا ببینند چگونه آنها برای یافتن یکدیگر در حال حرکت هستند. هنگامی که این دو نقطه به هم نزدیک شدند، ژن فعال شد و یک چراغ قرمز اضافی روشن شد زیرا RNA نیز با فلوروفورهای قرمز برچسب گذاری شد. زمانی که تقویت کننده و پروموتر با هم تماس گرفتند، یک بازخوانی بصری دریافت کردیم. این به ما اطلاعات زیادی در مورد مسیر حرکت آنها داد. بنابراین DNA به طور متراکم بسته شده است و حرکت سریع را نشان می دهد.

ارائه دو مدل فیزیکی ساده و متفاوت

چالش  بعدی این بود که چگونه این مجموعه داده عظیم از حرکت تصادفی را تجزیه و تحلیل کنیم. اما پیشینه فیزیک نظری به بروکنر اجازه داد تا آماری را برای درک رفتار معمولی سیستم استخراج کند. او دو مدل فیزیکی ساده و متفاوت را برای برش داده‌ها اعمال کرد. یکی مدل Rouse بود. فرض بر این است که هر مونومر پلیمر یک فنر الاستیک است. این یک ساختار سست و انتشار سریع را پیش‌بینی می‌کند؛ یک حرکت تصادفی، که در آن گاهی مناطق ژنی با یکدیگر مواجه می‌شوند. مدل دیگر «گلبول فراکتال» نام دارد. این ساختار بسیار فشرده و در نتیجه انتشار آهسته را پیش بینی می‌کند. "به طور شگفت انگیزی، ما در داده‌ها دریافتیم که سیستم با ترکیبی از این دو مدل توصیف می‌شود - یک ساختار بسیار متراکم که شما بر اساس مدل گلبول فراکتال انتظار دارید، و انتشار که توسط آمارهای مدل Rouse توصیف می‌شود." در ادامه بروکنر توضیح داد که به دلیل ترکیبی از بسته بندی متراکم و حرکت سریع، اتصال این دو ناحیه ژنی بسیار کمتر از آنچه قبلاً پیش بینی می‌شد به فاصله آنها در امتداد کروموزوم بستگی دارد. بروکنر در ادامه افزود: «اگر چنین سیستمی همیشه در حالت سیال و پویا باشد، ارتباط از راه دور بسیار بهتر از آن چیزی است که ما فکر می‌کردیم.

دستاورد این مطالعه

این مطالعه دنیای زیست شناسی و فیزیک را گرد هم می‌آورد. پیام آن برای فیزیکدانان، جالب است، زیرا دانشمندان دینامیک یک سیستم پیچیده زیستی را با تئوری‌های فیزیکی که برای مدت طولانی وجود داشته است، آزمایش کردند. و برای زیست شناسان، بینش‌هایی در مورد ویژگی‌های یک کروموزوم ارائه می‌دهد که ممکن است به درک تعامل ژن و فعال شدن ژن با جزئیات بیشتر کمک کند.

پایان مطلب/.