צוות של מדענים שחוקר חלוקת תאים פיתח מערכת מיוחדת למיקרוסקופ אור והשתמש בה כדי לנתח את הצפיפות המולקולרית של סביבות התא. התוצאות שלהם מספקות תובנה חדשה לגבי עיבוי כרומוזומים מיטוטי בתאים אנושיים חיים.
עבודתם מתפרסמת בכתב העת הליכים של האקדמיה הלאומית למדעים (PNAS) ב-27 באוגוסט 2024.
כדי לבצע את המחקר שלהם, הצוות פיתח מערכת מיקרוסקופיה של ניגודיות הפרעות דיפרנציאלית (OI-DIC) שאינה תלויה בהתמצאות בשילוב עם מיקרוסקופ סורק לייזר קונפוקאלי המסוגל למפות במדויק הבדלי נתיבים אופטיים ולהעריך צפיפות מולקולרית.
עיבוי כרומוזומים מיטוטי הוא תהליך חיוני להעברת כרומוזומים משוכפלים לשני תאי בת במהלך חלוקת התא. כדי לחקור את העקרונות הפיזיקליים הבסיסיים של תהליך זה, חקרנו האם משיכה של דלדול, כוח המושך מבנים גדולים בסביבות תאים צפופות, מעורב בתהליך זה."
שיורי איידה, מעבדת הגנום דינמיקה, המכון הלאומי לגנטיקה
בתהליך עיבוי הכרומוזומים, גדילי הכרומטין נדחסים לכרומוזומים קצרים. תהליך זה הופך את הכרומוזומים לנוקשים כדי להתנגד לכוח המשיכה מהציר. בעוד מספר חלבונים המעורבים בתהליך העיבוי, כולל קונדנסינים וטופואיזומראז IIα, זוהו ונחקרו בהרחבה, הבסיסים הפיזיים של תהליך העיבוי נותרו לא ברורים. "באמצעות מיקרוסקופ אור מיוחד שפותח לאחרונה, שיכולה לדמיין את הצפיפות המולקולרית של סביבות התא, מצאנו שהצפיפות סביב כרומוזומים גדלה במהלך חלוקת התא (איור 1), מה שמוביל לעלייה במשיכה לדלדול. התוצאות שלנו מצביעות על כך שהעלייה במשיכה לדלדול. הופך את הכרומוזומים לקשיחים יותר, ומבטיח שידור כרומוזומים מדויק במהלך חלוקת התא (איור 2), "אמר איידה.
"מערכת מיקרוסקופ האור החדשנית שלנו אפשרה לנו להשיג הבדל נתיב אופטי ברזולוציה גבוהה ותמונות קונפוקאליות תואמות כדי לקבל צפיפות מוחלטת מדויקת בתאים חיים. הדמיית OI-DIC זו מסוגלת ליצור תמונת נפח תלת-ממדית של מקדם השבירה והצפיפות המולקולרית, או מסה יבשה, בתאים חיים עם מערכת OI-DIC, כימתנו את הצפיפות המוחלטת של המולקולות סביב הכרומוזומים במהלך מיטוזה של תאים חיים", אמר מייקל שריבאק מהמעבדה הביולוגית הימית, Woods Hole. הצוות ניתח את הצפיפות המוחלטת בציטופלזמה ובנוקלאופלזמה בשלבי מחזור התא השונים של תאי HCT116 אנושיים ותאי מונטג'אק הודיים DM. תאי HCT116 האנושיים הם תאי סרטן המעי הגס אנושיים. המונטג'אק ההודי הם צבאים בעלי ספירת הכרומוזומים הנמוכה ביותר מכל יונק, מה שהופך את התאים שלהם לאידיאליים למחקר מיטוזה.
הניתוח שלהם הראה שהצפיפות המולקולרית הסובבת את הכרומוזומים גדלה עם ההתקדמות משלבי הפרופזה לאנפאזה של מיטוזה, במקביל לעיבוי הכרומוזומים (איור 1). עם זאת, הצפיפות המולקולרית ירדה בטלופאז, כאשר החל פירוק הכרומוזומים. באמצעות טיפול היפוטוני או היפרטוני של התאים המיטוטים, הצוות ראה שינויים עקביים ברמות ההתעבות של הכרומוזומים. עם טיפול היפרטוני בתאים המיטוטיים, הצפיפות והעיבוי המושרה של הכרומוזומים עלו במהירות, בעוד שלטיפול היפוטוני הייתה השפעה הפוכה.
לאחר מכן כדי לתמוך עוד יותר בממצאיהם בתאי HCT116, הצוות בדק קו תאים נוסף, תאי ה-Muntjac DM ההודיים. תאי DM אלו נגזרו מתאי פיברובלסט של צבי ויש להם כרומוזומים מיטוטיים גדולים מאוד. התוצאות שהשיגו עם תאי ה-DM תמכו בממצאים שלהם עם תאי HCT116 האנושיים. זה מצביע על כך שעלייה חולפת בצפיפות סביבת הכרומוזומים עשויה להיות תכונה שכיחה בתאים מיטוטיים.
הצוות גילה שהריכוזים הגבוהים יותר של מקרומולקולות מעבים את הכרומטין והופכים אותו לקשיח יותר ודומה יותר למוצק. בַּמַבחֵנָה. "למיטב ידיעתנו, אנחנו הראשונים להדגים שמשיכה של דלדול/צפיפות מקרומולקולרית הופכת עיבוי כרומטין סיבי שנוצר על ידי קטיונים לטיפות נוזליות בַּמַבחֵנָה," אמר Kazuhiro Maeshima ממעבדת הגנום דינמיקה, המכון הלאומי לגנטיקה והמכון לתואר שני ללימודים מתקדמים, SOKENDAI.
"התוצאות שלנו מצביעות על כך שהעלייה במשיכה לדלדול הופכת את הכרומוזומים לקשיחים יותר, מה שמבטיח העברת כרומוזומים מדויקת במהלך חלוקת התא. נראה כי עלייה חולפת בצפיפות המולקולרית נגרמת על ידי פירוק קרום גרעיני במהלך מיטוזה (איור 2). עם פירוק קרום גרעיני, המעטפת הגרעינית, קומפלקסים של נקבוביות גרעיניות, הלמינה הגרעינית והגרעיניים מפורקים לחתיכות קטנות כתוצאה מכך, גורמים ציטופלזמיים וגרעינים נחשפים לכרומוזומים ותורמים באופן מלא לעלייה במשיכה לדלדול הבסיסים הפיזיים של עיבוי כרומוזומים מיטוטי בתאים אנושיים חיים", אמר מאישימה.
"במחקר זה, גילינו שכרומוזומים מיטוטיים מתעבים על ידי כוח פיזי המכונה משיכת דלדול במהלך חלוקת התא. במבט קדימה, אנו שואפים להבהיר כיצד תכונות פיזיקליות של DNA, והכוחות הפיזיקליים המשפיעים על תכונותיהם תורמים לטרנזקציות DNA, כולל שעתוק, שכפול ותיקון DNA", אמר איידה.
