A sejtek osztódása előtt elengedhetetlen, hogy minden kromoszóma megkettőződjön, így az utódsejtek teljes genetikai állománnyal rendelkezhetnek. Hosszú ideig úgy vélték a tudósok, hogy a sejtosztódás folyamán a genom jellegzetes háromdimenziós (3D) belső szerkezete megszűnik, majd az osztódás befejeztével fokozatosan visszaáll ez a komplex, gömbszerű alakzat. Ez a szerkezet kulcsfontosságú szerepet játszik abban, hogy mely gének aktiválódnak egy adott sejtben.
Az eddigi nézetek megdőltek: a 3D struktúra nem tűnik el mitózis alatt
Az MIT kutatóinak legújabb tanulmánya azonban rávilágít arra, hogy ez a kép nem teljesen pontos. Egy nagyobb felbontású genom térképezési technika alkalmazásával a kutatócsoport felfedezte, hogy apró 3D hurkok, amelyek szabályozó elemeket és géneket kötnek össze, megmaradnak a genomon belül még a sejtosztódás (mitózis) során is.
Anders Sejr Hansen, az MIT biológiai mérnöki tanszékének docense így fogalmazott: „Ez a tanulmány segít tisztázni, hogyan gondolkodjunk a mitózisról. Korábban úgy tartották, hogy mitózis alatt nincs transzkripció és nincs olyan szerkezet, amely kapcsolódna a génaktivitáshoz. Most már tudjuk, hogy ez nem teljesen igaz. Mindig van szerkezet, ami soha nem tűnik el.”
Mikrokompartmentek: az újonnan felfedezett genom struktúrák
A kutatók azt is megfigyelték, hogy ezek a szabályozó hurkok erősödnek, amikor a kromoszómák kompaktabbá válnak az osztódásra való felkészülés során. Ez az összecsomagolódás közelebb hozza egymáshoz a genetikai szabályozó elemeket, elősegítve azok összetapadását. Ez segíthet abban, hogy a sejtek „emlékezzenek” az egyik sejtciklusban jelenlévő interakciókra és továbbvigyék azokat a következő ciklusba.
Viraat Goel, a tanulmány vezető szerzője így nyilatkozott: „Eredményeink hidat képeznek a genom szerkezete és annak funkciója között, amely évtizedek óta kihívást jelentett a tudomány számára.”
A kutatás háttere és módszertana
Az elmúlt két évtizedben kiderült, hogy a sejtmagban található DNS 3D hurkokba rendeződik. Ezek közül sok lehetővé teszi távoli gének és szabályozó régiók közötti interakciókat. Más hurkok pedig az osztódás során alakulnak ki a kromoszómák kompakt csomagolása érdekében.
Ezeket a 3D struktúrákat korábban főként Hi-C nevű technikával térképezték fel. A Hi-C során enzimekkel apró darabokra vágják a genomot, majd biokémiai módszerekkel összekapcsolják azokat az egymáshoz térben közel álló szakaszokat. Ezeket szekvenálva határozzák meg az interakciókat.
Azonban ez a módszer nem rendelkezik elegendő felbontással ahhoz, hogy minden egyes gén és szabályozó elem közötti specifikus kapcsolatot feltárjon. Az enhancerek például rövid DNS-szakaszok, amelyek elősegítik egy gén transzkripcióját azáltal, hogy kötődnek annak promóteréhez – ahol maga a transzkripció kezdődik.
Regionális nagyfelbontású térképezés: Region-Capture Micro-C (RC-MC)
2023-ban Hansen és munkatársai kifejlesztettek egy új technikát, amely 100-1000-szer nagyobb felbontást tesz lehetővé: ez az RC-MC. Ez egy másik enzimet használva apróbb és hasonló méretű fragmentumokra bontja le a genomot, miközben egy kisebb genom szegmensre fókuszálva magas felbontású 3D térképet készít.
Ezzel az eljárással fedezték fel az úgynevezett „mikrokompartmenteket”, amelyek apró, szorosan összekapcsolt hurkokból állnak és akkor jönnek létre, amikor egymáshoz közeli enhancerek és promóterek összetapadnak.
Mikrokompartmentek viselkedése mitózis alatt
A kutatók eredetileg azt feltételezték, hogy ezek a mikrokompartmentek is eltűnnek majd mitózis alatt – akárcsak más nagyobb struktúrák (például A/B kompartmentek vagy topológiailag asszociált domének – TAD-ok). Azonban meglepetésükre azt találták, hogy ezek a mikrohurkok nemcsak megmaradnak mitózis alatt, hanem erősödnek is.
Hansen így fogalmazott: „A tanulmány elején azt gondoltuk, hogy mitózis alatt nincs szabályozói szerkezet. Aztán véletlenül találtunk ilyet.”
Ezzel szemben megerősítették korábbi eredményeket is: nagyobb struktúrák valóban eltűnnek mitózis alatt.
Effie Apostolou, molekuláris biológus (Weill Cornell Medicine):
„Az RC-MC technika páratlan genomikus felbontását kihasználva új és meglepő aspektusokat tártak fel mitotikus kromatin szerveződésében. Bár jól ismert volt TAD-ok és kompartmentek drámai eltűnése mitózis alatt, most kiderült, hogy finomabb ‘mikrokompartmentek’ – aktív szabályozói elemek közötti kölcsönhatások – fennmaradnak vagy átmenetileg erősödnek.”
A transzkripciós aktivitás csúcsa mitózis végén
A felfedezés magyarázatot adhat arra is, miért tapasztalható egy rövid transzkripciós aktivitás-növekedés (spike) mitózis végén. Hosszú ideig úgy vélték, hogy mitózis alatt teljesen leáll a génátírás; azonban 2016-2017-ben néhány tanulmány kimutatta ezt az átmeneti aktivitást.
Az MIT kutatócsoportja most azt találta, hogy miközben mikrokompartmentek kialakulnak és erősödnek mitózis során – különösen azok környezetében ahol gének aktiválódnak –, ezek véletlenszerűen aktiválhatják is az adott géneket. Azonban ezt követően gyorsan leállítja őket a sejt.
„Mintha ez az aktivitási csúcs egy nem kívánt mellékhatása lenne annak, hogy miközben mikrokompartmentek alakulnak ki mitózis alatt egy különösen kedvező környezet jön létre számukra,” magyarázza Hansen. Amint pedig belépünk G1 fázisba (az osztódást követő nyugalmi állapot), sok ilyen hurok gyengül vagy eltűnik.
Következő kutatási irányok
Mivel kromoszóma kompaktáltságát befolyásolja egy sejt mérete és alakja is, jelenleg azt vizsgálják hogyan hatnak ezek a változások a genom szerkezetére és ennek következtében génszabályozásra.
Hansen így fogalmaz: „Vizsgáljuk olyan természetes biológiai helyzeteket is, ahol változik egy sejt alakja vagy mérete; vajon ezek magyarázatot adhatnak-e korábban érthetetlen 3D genom változásokra? Egy másik fontos kérdés pedig az, hogyan választja ki a sejt mely mikrokompartmenteket tartson meg G1-ben és melyeket távolítson el annak érdekében, hogy biztosítsa a génexpresszió pontosságát.”
Támogatók és együttműködők
A kutatás részben az alábbi támogatásokból valósult meg: Nemzeti Egészségügyi Intézet (NIH), Nemzeti Tudományos Alap CAREER díja (NSF), Broad Intézet Génszabályozási Obszervatóriuma, Pew-Stewart Scholar Award rákkutatásra, Mathers Alapítvány, MIT Westaway Alapítvány, Koch Intézet Bridge Projektje és Dana-Farber/Harvard Rákközpont támogatása valamint Koch Intézet alapvető támogatása (National Cancer Institute).