Mieszane, nie wstrząśnięte: naukowcy odkrywają, w jaki sposób transkrypcja napędza ruch w genomie

Wyniki opublikowano w czasopiśmie Komunikacja przyrodniczapogłębić naszą wiedzę na temat mechaniki zależnej od transkrypcji ruchów pojedynczych genów, których dysfunkcja może prowadzić do zaburzeń neurologicznych i sercowo-naczyniowych, a także do raka.

„Genom jest «mieszany» przez ruchy pojedynczych genów wywołane transkrypcją” – wyjaśnia Alexandra Zidovska, profesor fizyki na Uniwersytecie Nowojorskim i główna autorka badania. „Geny poruszają się różnie, w zależności od tego, czy są odczytywane, czy nie, co prowadzi do złożonych, turbulentnych ruchów ludzkiego genomu. Zrozumienie mechaniki zależnej od transkrypcji ruchów pojedynczych genów w jądrze może mieć kluczowe znaczenie dla zrozumienia ludzkiego genomu w zdrowiu i chorobie.”

Ludzki genom składa się z dwóch metrów (sześciu i pół stopy) DNA, które jest upakowane wewnątrz komórki w jądrze o średnicy zaledwie 10 mikrometrów, czyli 100 000 razy mniejszej niż długość DNA genomu. Cząsteczka DNA koduje informacje dotyczące wszystkich procesów i funkcji komórkowych, a geny służą jako jednostki informacji. Odczytywane są różne geny, a zawarta w nich informacja jest przetwarzana w różnym czasie. Kiedy gen jest odczytywany, mechanizm molekularny uzyskuje do niego dostęp i transkrybuje zawarte w nim informacje na cząsteczkę mRNA, co jest procesem znanym jako transkrypcja.

Zidovska i jej współpracownicy odkryli już wcześniej, że genom ulega częstym „mieszaniom”, czyli ruchom, co prowadzi do jego reorganizacji i zmiany położenia w jądrze.

Jednakże, pochodzenie tych wniosków jest mało zrozumiałe. Naukowcy postawili hipotezę, że motorami napędowymi są silniki molekularne zasilane cząsteczkami trifosforanu adenozyny (ATP), które dostarczają energii do wielu procesów biologicznych. Uważa się, że te aktywne silniki wywierają siły na DNA, co może prowadzić do ruchu DNA i nukleoplazmy – otaczającego ją płynu. Ale stojące za tym większe fizyczne machinacje pozostają nieuchwytne.

Mając to na uwadze, Zidovska i jej współpracownicy skupili się na polimerazie RNA II – odpowiedzialnej za transkrypcję i jednym z najliczniejszych motorów molekularnych w jądrze komórkowym. Kiedy gen jest aktywny, tj. ulega aktywnej transkrypcji, odpowiedzialna maszyneria molekularna wywiera siły na DNA podczas jego przetwarzania.

The Komunikacja przyrodnicza w badaniu sprawdzano, jak ruch pojedynczego, aktywnie transkrybowanego genu wpływa na ruchy otaczającego go genomu w żywych komórkach ludzkich. W tym celu autorzy wykorzystali technologię CRISPR do fluorescencyjnego znakowania pojedynczych genów, dwukolorową mikroskopię żywych komórek o wysokiej rozdzielczości do wizualizacji ruchu tych znakowanych genów oraz spektroskopię korelacji przemieszczenia (DCS) do jednoczesnego mapowania przepływów genomu przez jądro. Dane obrazowe o wysokiej rozdzielczości zostały następnie przetworzone poprzez analizę fizyczną i matematyczną, odkrywając nigdy wcześniej nie widziany fizyczny obraz ruchu genów wewnątrz komórki.

W swoim badaniu naukowcy początkowo zbadali ruchy genów – gdy są one nieaktywne – następnie „włączyli” te geny i zaobserwowali, jak zmienia się ich ruch, gdy są „aktywne”. Jednocześnie autorzy wykorzystali DCS do mapowania przepływów otaczającego genomu, monitorując przepływ genomu przez jądro przed i po aktywacji genu.

Ogólnie rzecz biorąc, autorzy odkryli, że aktywne geny przyczyniają się do ruchu mieszającego genomu. Poprzez jednoczesne mapowanie ruchów pojedynczego genu i całego genomu odkrywają, że zagęszczenie genomu wpływa na udział genu. W szczególności analiza korelacji ruchu wykazała, że ​​pojedynczy aktywny gen kieruje ruchami genomu w regionach o niskim zagęszczeniu, ale genom o wysokim zagęszczeniu napędza ruch genu niezależnie od jego stanu aktywności.

„Ujawniając te nieoczekiwane powiązania między aktywnością genów, zagęszczeniem genomu i ruchami w całym genomie, odkrycia te odkrywają aspekty czasoprzestrzennej organizacji genomu, które bezpośrednio wpływają na regulację i ekspresję genów” – mówi Zidovska.

Ta praca pogłębia także naszą wiedzę na temat fizyki.

„Te badania dostarczają nowego wglądu w fizykę układów aktywnych i żywych” – zauważa. „Ujawniając wyłaniające się zachowanie aktywnych systemów żywych, takich jak ludzki genom, uczy nas nowej fizyki”.

Pozostali autorzy artykułu to Fang-Yi Chu i Alexis S. Clavijo, doktoranci Uniwersytetu Nowojorskiego, oraz Suho Lee, pracownik naukowy ze stopniem doktora na Uniwersytecie Nowojorskim.

Badania te były wspierane przez granty z National Institutes of Health (R00-GM104152 i R01-GM145924), National Science Foundation (CAREER PHY-1554880, PHY-2210541 i CMMI-1762506) oraz stypendium New York University Whitehead Fellowship for Młodszy Wydział Nauk Biomedycznych i Biologicznych.