Σε ένα σημαντικό βήμα προς την κατανόηση του πώς η φυσική μορφή του DNA διαμορφώνει την ανθρώπινη βιολογία, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Northwestern, σε συνεργασία με το 4D Nucleome Project, δημιούργησαν τους πιο ολοκληρωμένους χάρτες μέχρι σήμερα της τρισδιάστατης οργάνωσης του γονιδιώματος σε σχέση με τον χρόνο και τον χώρο. Η εργασία περιγράφεται σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature .
Η έρευνα, που βασίζεται σε πειράματα σε ανθρώπινα εμβρυϊκά βλαστοκύτταρα και ινοβλάστες, παρέχει μια εκτενή εικόνα του πώς τα γονίδια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, αναδιπλώνονται σε πολύπλοκες δομές και μετατοπίζουν τις θέσεις τους καθώς τα κύτταρα εκτελούν φυσιολογικές λειτουργίες και διαιρούνται. Της μελέτης συν-επικεφαλής ήταν ο Feng Yue, καθηγητής Μοριακής Ιατρικής στην έδρα Duane και Susan Burnham στο Τμήμα Βιοχημείας και Μοριακής Γενετικής.
«Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο το γονιδίωμα αναδιπλώνεται και αναδιοργανώνεται σε τρεις διαστάσεις είναι απαραίτητη για την κατανόηση του τρόπου λειτουργίας των κυττάρων», δήλωσε ο Yue, ο οποίος είναι επίσης διευθυντής του Κέντρου Προηγμένης Μοριακής Ανάλυσης και ιδρυτικός διευθυντής του Κέντρου Γονιδιωματικής του Καρκίνου στο Ολοκληρωμένο Κέντρο Καρκίνου Robert H. Lurie του Πανεπιστημίου Northwestern. «Αυτοί οι χάρτες μας δίνουν μια άνευ προηγουμένου εικόνα για το πώς η δομή του γονιδιώματος βοηθά στη ρύθμιση της γονιδιακής δραστηριότητας στον χώρο και τον χρόνο».
Μέσα στον πυρήνα του κυττάρου, το DNA δεν παραμένει τεντωμένο σε απλή, γραμμική μορφή. Αντίθετα, αναδιπλώνεται σε βρόχους και διακριτές περιοχές που φέρνουν σε στενή επαφή απομακρυσμένα τμήματα του γονιδιώματος. Αυτές οι φυσικές διατάξεις βοηθούν στον έλεγχο του ποια γονίδια είναι ενεργά ή σιωπηλά, διαμορφώνοντας διαδικασίες όπως η ανάπτυξη, η ταυτότητα του κυττάρου και οι ασθένειες.
Δημιουργία ενός Ενοποιημένου Συνόλου Δεδομένων 4D Γονιδιώματος
Για να μελετήσουν αυτήν την πολυπλοκότητα, ο Yue και οι διεθνείς συνεργάτες του χρησιμοποίησαν ένα ευρύ φάσμα γονιδιωματικών τεχνολογιών σε ινοβλάστες και ανθρώπινα εμβρυϊκά βλαστοκύτταρα για να παράγουν ένα ενιαίο σύνολο δεδομένων.
Αυτή η προσπάθεια εντόπισε:
- Περισσότεροι από 140.000 βρόχοι χρωματίνης ανά τύπο κυττάρου, προσδιορίζοντας τα υποκείμενα στοιχεία στους διαφορετικούς τύπους αγκυρών βρόχων και πώς αυτά συμβάλλουν στη γονιδιακή ρύθμιση.
- Πλήρεις ταξινομήσεις χρωμοσωμικών περιοχών, συμπεριλαμβανομένου του πού βρίσκονται μέσα στον πυρήνα.
- Τρισδιάστατα μοντέλα υψηλής ανάλυσης ολόκληρων γονιδιωμάτων σε επίπεδο ενός κυττάρου, που δείχνουν πώς τοποθετείται κάθε γονίδιο σε σχέση με τους γείτονές του και τα ρυθμιστικά στοιχεία.
- Αυτοί οι χάρτες αποκαλύπτουν πώς η αρχιτεκτονική του γονιδιώματος ποικίλλει από κύτταρο σε κύτταρο και πώς αυτές οι παραλλαγές σχετίζονται με βασικές διεργασίες, συμπεριλαμβανομένης της μεταγραφής και της αντιγραφής του DNA.
Αξιολόγηση Τεχνολογιών και Πρόβλεψη Αναδίπλωσης Γονιδιώματος
Επειδή καμία μεμονωμένη τεχνολογία δεν μπορεί να αποτυπώσει πλήρως την τετραδιάστατη δομή του γονιδιώματος, η μελέτη αξιολόγησε επίσης τις δυνατότητες και τους περιορισμούς των μεθόδων που χρησιμοποιήθηκαν. Μέσω εκτεταμένης συγκριτικής αξιολόγησης, οι ερευνητές προσδιόρισαν ποιες δοκιμασίες είναι οι καταλληλότερες για την ανίχνευση βρόχων, ορίων τομέων ή λεπτών διαφορών στην τοποθέτηση του πυρήνα — παρέχοντας έναν οδικό χάρτη για τους επιστήμονες που θα διερευνήσουν παρόμοια ερωτήματα στο μέλλον.
Επιπλέον, αναπτύσσοντας υπολογιστικά εργαλεία ικανά να προβλέψουν πώς θα αναδιπλωθεί το γονιδίωμα αποκλειστικά από την αλληλουχία του, οι συγγραφείς της μελέτης έχουν θέσει το σκηνικό για τους μελλοντικούς επιστήμονες να εκτιμήσουν πώς οι γενετικές παραλλαγές -συμπεριλαμβανομένων εκείνων που συνδέονται με ασθένειες- θα μπορούσαν να τροποποιήσουν την τρισδιάστατη αρχιτεκτονική του γονιδιώματος, όλα αυτά χωρίς να χρειάζεται να εκτελέσουν πολύπλοκα πειράματα.
Αυτή η πρόοδος θα μπορούσε να επιταχύνει την ανακάλυψη παθογόνων μεταλλάξεων και να αποκαλύψει προηγουμένως κρυμμένους μηχανισμούς πίσω από κληρονομικές διαταραχές, δήλωσε ο Yue.
«Δεδομένου ότι η πλειονότητα των παραλλαγών που σχετίζονται με ανθρώπινες ασθένειες βρίσκονται στις μη κωδικοποιητικές περιοχές του γονιδιώματος, είναι κρίσιμο να κατανοήσουμε πώς αυτές οι παραλλαγές επηρεάζουν την ουσιαστική γονιδιακή έκφραση και συμβάλλουν στις ασθένειες», δήλωσε ο Yue. «Η τρισδιάστατη οργάνωση του γονιδιώματος παρέχει ένα ισχυρό πλαίσιο για την πρόβλεψη ποια γονίδια είναι πιθανό να επηρεαστούν από αυτές τις παθογόνες παραλλαγές», δήλωσε ο Yue.
Προς μια πιο ολοκληρωμένη άποψη του γονιδιώματος
Η εργασία υπογραμμίζει την αυξανόμενη αναγνώριση ότι η λειτουργία του γονιδιώματος δεν μπορεί να κατανοηθεί μόνο με την ανάγνωση της αλληλουχίας του και ότι το σχήμα του έχει επίσης σημασία. Αποκαλύπτοντας τις συνδέσεις μεταξύ της αναδίπλωσης του DNA, των βρόχων χρωματίνης, της γονιδιακής δραστηριότητας και της κυτταρικής συμπεριφοράς, η μελέτη φέρνει το πεδίο πιο κοντά σε μια ολιστική άποψη για το πώς λειτουργούν οι γενετικές οδηγίες μέσα στα ζωντανά κύτταρα.
Προχωρώντας, ο Yue είπε ότι ελπίζει ότι αυτά τα εργαλεία θα βοηθήσουν τελικά στην αποκωδικοποίηση του τρόπου με τον οποίο η λανθασμένη αναδίπλωση του γονιδιώματος συμβάλλει σε καρκίνους, αναπτυξιακές διαταραχές και άλλες παθήσεις, ανοίγοντας την πόρτα σε διαγνωστικά και θεραπείες που βασίζονται στη δομική γονιδιωματική.
«Έχοντας παρατηρήσει τρισδιάστατες αλλοιώσεις γονιδιώματος σε διάφορους καρκίνους, συμπεριλαμβανομένης της λευχαιμίας και των όγκων του εγκεφάλου, ο επόμενος στόχος μας είναι να διερευνήσουμε πώς αυτές οι δομές μπορούν να στοχευθούν και να ρυθμιστούν με ακρίβεια χρησιμοποιώντας φάρμακα όπως οι επιγενετικοί αναστολείς», δήλωσε ο Yue.
