תאים בודדים מתחלקים בתהליך הנקרא מיטוזה, שבמהלכו מופרד ה-DNA המועתק של התא בין שני תאי בת שנוצרו. למרות ההתקדמות האחרונה בביולוגיה של התא, המנגנון שבו מתעבה ה-DNA במהלך מיטוזה עדיין לא מובן. חוקרים עקבו לאחרונה אחר קטעים קטנים של דנ"א הפותחים סביב חלבוני היסטון, הנקראים נוקלאוזומים, כדי לאפיין טוב יותר את התנהגות הנוקלאוזומים במהלך חלוקת התא.
ה-DNA מאורגן ככרומטין, שהם מבנים דינמיים המורכבים מ-DNA, RNA וחלבונים המווסתים את הנגישות של גנים לביטוי ואת התצורה הכוללת של החומר הגנטי בתא. חלבוני היסטון, למשל, הם חלבונים בעלי מטען חיובי שנקשרים ל-DNA בעל מטען שלילי. ה-DNA עוטף את חלבוני ההיסטון הללו ליצירת נוקלאוזומים, שעוזרים לעבות כמעט שישה מטרים של DNA גנומי אנושי לגרעין בגודל 10 מיקרומטר בלבד (1 x 10-6 מ) לרוחב.
במהלך מיטוזה, ה-DNA מתעבה לפני שהוא מחולק בין שני תאי בת. קומפלקס חלבון הנקרא קונדנסינים מעורב בהרכבת הכרומוזומים המעובה. עם זאת, החוקרים עדיין לא בטוחים כיצד תאים מגיעים להרכבת כרומוזומים במהלך חלוקת התא. כדי לתת מענה לכך, צוות חוקרים מהמכון הלאומי לגנטיקה במישימה, יפן, חלק מארגון המחקר של מידע ומערכות (ROIS), השתמש בהדמיה של נוקלאוזומים בודדים כדי לחשוף את הגורמים התורמים לארגון ולדחיסה של כרומוזומים במהלך מיטוזה בתאים חיים (סרט).
הצוות פרסם את המחקר ב-25 באוגוסט ב תקשורת טבע"הרכבת כרומוזומים מיטוטיים היא תהליך חיוני להעברת כרומוזומים משוכפלים לשני תאי בת במהלך חלוקת התא. בעוד שגורמי חלבון כמו קונדנסינים ממלאים תפקידי מפתח בתהליך זה, לא ברור כיצד נוקלאוזומים, אבני הבניין של הכרומטין, מתנהגים במהלך הרכבת הכרומוזומים. כיצד קונדנסינים פועלים על נוקלאוזומים כדי לארגן את הכרומוזומים כדי לחקור את הנקודות הללו, עקבנו אחר התנועה של נוקלאוזומים בודדים במהלך חלוקת תאים בתאים אנושיים חיים באמצעות מיקרוסקופ ברזולוציה על", אמר קזוהירו מאישימה, פרופסור במכון הלאומי לגנטיקה ו-SOKENDAI. אוניברסיטה לתואר שני ללימודים מתקדמים) במישימה, יפן.
הצוות הבחין כי נוקלאוזומים מוגבלים הרבה יותר במהלך מיטוזה בהשוואה לתאים באינטרפאזה. נוקלאוזומים היו מוגבלים ביותר כאשר הכרומוזומים הועברו לקטבים מנוגדים של התא במהלך אנפאזה, שלב ספציפי של חלוקת התא. אילוצים אלו שוחררו במהלך הטלופאז, השלב האחרון של חלוקת התא, כאשר מתחיל פירוק הכרומוזומים.
הצוות גם ביצע ניסויים של דלדול קונדנסין כדי לחקור את תהליך ההגבלה במהלך מיטוזה. הם גילו כי דלדול הקונדנסינים גרם לצורות כרומוזומים חריגות ולהגברת תנועת הנוקלאוזומים. תצפית זו תומכת במודל של ארגון כרומוזומים שבו קונדנסינים יוצרים לולאות כדי להגביל נוקלאוזומים. חשוב לציין, Yuji Sakai מאוניברסיטת יוקוהמה סיטי הצליח לשחזר את התצפיות שלהם באמצעות מודלים חישוביים (סרט).
הממצאים שלנו חשפו שככל שהכרומוזומים מורכבים במהלך חלוקת התא, תנועת הנוקלאוזומים הופכת מוגבלת יותר ויותר. קונדנסינים מתפקדים כמו 'מצלבים מולקולריים', מחזיקים את הנוקלאוזומים במקום כדי לארגן את הכרומוזומים. בנוסף, אינטראקציות בין נוקלאוזומים, הנעזרות בזנבות של חלבוני היסטון, עוזרות לדחוס את הכרומוזומים".
Kayo Hibino מהמכון הלאומי לגנטיקה ו-SOKENDAI
המודלים החישוביים של הצוות והיעדר קונדנסינים בפריפריה של הכרומוזומים מצביעים על כך שגורמים מגבילים אחרים עשויים לתרום לעיבוי הכרומוזומים במהלך מיטוזה. על ידי הפחתת המטען החיובי על חלבוני ההיסטון עם המגיב Trichostatin A (TSA), החוקרים הבחינו בתנועה מוגברת של נוקלאוזומים (איור), בדומה לתוצאות של ניסויי דלדול הקונדנסין.
בסך הכל, הצוות מצא כי קונדנסינים אחראים להגבלת נוקלאוזומים סביב ציר כרומוזומים במהלך מיטוזה באמצעות יצירת לולאה, וכי אינטראקציות נוקלאוזום-נוקלאוזום באמצעות זנבות היסטון תורמות לעיבוי הכרומוזומים העולמי (איור). מחקר נוסף נדרש כדי לקבוע בדיוק כיצד קונדנסינים יוצרים לולאות DNA וכיצד אינטראקציות נוקלאוזום-נוקלאוזום ויצירת לולאות מתקשרות להרכבת כרומוזומים.
תורמים נוספים למחקר זה כוללים את Katsuhiko Minami, Masa A. Shimazoe מהמעבדה לדינמיקת הגנום במכון הלאומי לגנטיקה והמכון לתואר שני ללימודים מתקדמים ב-SOKENDAI, שניהם במישימה, יפן; Sachiko Tamura מהמעבדה לדינמיקה של הגנום במכון הלאומי לגנטיקה; Masatoshi Takagi ממעבדת הדינמיקה הסלולרית באשכול RIKEN למחקר חלוצי בוואקו, יפן והמעבדה לדינמיקת תפקוד תאים במרכז RIKEN למדעי המוח בוואקו, יפן; Toyoaki Natsume מהמכון לתואר שני ללימודים מתקדמים ב-SOKENDAI, המעבדה להנדסת תאים מולקולריים במכון הלאומי לגנטיקה במישימה, יפן ומרכז המחקר למדעי הגנום והרפואה במכון המטרופוליטן של טוקיו למדעי הרפואה בטוקיו, יפן; Masato T. Kanemaki מהמכון לתואר שני ללימודים מתקדמים ב-SOKENDAI, המעבדה להנדסת תאים מולקולריים במכון הלאומי לגנטיקה במישימה, יפן והמחלקה למדעי הביולוגיה באוניברסיטת טוקיו בטוקיו, יפן; ונאוקו אימאמוטו מהמעבדה לדינמיקה סלולרית באשכול RIKEN למחקר חלוצי ובית הספר לתואר שני לניהול בטיחות רפואית באוניברסיטת Jikei למדעי הבריאות באוסקה, יפן.
