תובנות חדשות חושפות מבנה גנום מתמשך במהלך חלוקת התא

לפני שתאים יכולים להתחלק, הם צריכים תחילה לשכפל את כל הכרומוזומים שלהם, כך שכל אחד מתאי הבת יוכל לקבל סט מלא של חומר גנטי. עד כה, מדענים האמינו שכאשר החלוקה מתרחשת, הגנום מאבד את המבנה הפנימי התלת-ממדי הייחודי שהוא יוצר בדרך כלל.

לאחר השלמת החלוקה, חשבו, הגנום מחזיר בהדרגה את המבנה הכדורי המורכב הזה, אשר ממלא תפקיד חיוני בשליטה על הגנים המופעלים בתא נתון.

עם זאת, מחקר חדש מ-MIT מראה שלמעשה, תמונה זו אינה מדויקת לחלוטין. באמצעות טכניקת מיפוי גנום ברזולוציה גבוהה יותר, צוות המחקר גילה שלולאות תלת-ממדיות קטנות המקשרות בין אלמנטים רגולטוריים וגנים נמשכות בגנום במהלך חלוקת התא, או מיטוזה.

"המחקר הזה באמת עוזר להבהיר איך אנחנו צריכים לחשוב על מיטוזה. בעבר, המיטוזה נחשבה כלוח ריק, ללא שעתוק וללא מבנה הקשור לפעילות הגנים. וכעת אנו יודעים שזה לא ממש המקרה", אומר אנדרס סייר הנסן, פרופסור חבר להנדסה ביולוגית ב-MIT. "מה שאנחנו רואים זה שתמיד יש מבנה. הוא אף פעם לא נעלם".

החוקרים גם גילו שנראה כי לולאות וויסות אלו מתחזקות כאשר הכרומוזומים הופכים לדחוסים יותר כהכנה לחלוקת התא. דחיסה זו מקרבת אלמנטים מווסתים גנטיים ומעודדת אותם להיצמד זה לזה. זה עשוי לעזור לתאים "לזכור" אינטראקציות הקיימות במחזור תא אחד ולשאת אותו למחזור הבא.

הממצאים עוזרים לגשר בין מבנה הגנום לתפקידו בניהול אופן הדלקה וכיבוי של גנים, מה שהיה אתגר יוצא דופן בתחום כבר עשרות שנים".

וירט גואל PhD '25, הכותבת הראשית של המחקר

הנסן ואדוארד בניגן, מדען מחקר במכון להנדסה ומדע רפואי של MIT, הם המחברים הבכירים של המאמר, המופיע היום ב טבע ביולוגיה מבנית ומולקולרית. ליאוניד מירני, פרופסור במכון להנדסה ומדע רפואי של MIT ובמחלקה לפיזיקה, וגרד בלובל, פרופסור בבית הספר לרפואה פרלמן באוניברסיטת פנסילבניה, הם גם מחברי המחקר.

ממצא מפתיע

במהלך 20 השנים האחרונות, מדענים גילו שבתוך גרעין התא, ה-DNA מתארגן ללולאות תלת-ממדיות. בעוד לולאות רבות מאפשרות אינטראקציות בין גנים ואזורים מווסתים שעשויים להיות במרחק מיליוני זוגות בסיסים אחד מהשני, אחרים נוצרים במהלך חלוקת התאים כדי לדחוס כרומוזומים. חלק גדול מהמיפוי של מבנים תלת מימדיים אלו נעשה באמצעות טכניקה הנקראת Hi-C, שפותחה במקור על ידי צוות שכלל חוקרי MIT והובל על ידי ג'וב דקר בבית הספר לרפואה של אוניברסיטת מסצ'וסטס בצ'אן. כדי לבצע Hi-C, החוקרים משתמשים באנזימים כדי לחתוך את הגנום לחתיכות קטנות רבות ולקשר ביוכימית בין חלקים שנמצאים זה ליד זה בחלל תלת-ממדי בתוך גרעין התא. לאחר מכן הם קובעים את זהותם של החלקים המקיימים אינטראקציה על ידי רצף שלהם.

עם זאת, לטכניקה הזו אין רזולוציה גבוהה מספיק כדי לבחור את כל האינטראקציות הספציפיות בין גנים ואלמנטים רגולטוריים כמו משפרים. משפרים הם רצפים קצרים של DNA שיכולים לעזור להפעיל את השעתוק של גן על ידי קשירה למקדם הגן – האתר שבו מתחיל השעתוק.

בשנת 2023, הנסן ואחרים פיתחו טכניקה חדשה המאפשרת להם לנתח מבני גנום תלת מימדיים ברזולוציה גדולה פי 100 עד 1,000 ממה שהיה אפשרי בעבר. טכניקה זו, הידועה בשם Region-Capture Micro-C (RC-MC), משתמשת באנזים שונה החותך את הגנום לשברים קטנים בגודל דומה. הוא מתמקד גם בקטע קטן יותר של הגנום, ומאפשר מיפוי תלת מימדי ברזולוציה גבוהה של אזור גנום ממוקד.

באמצעות טכניקה זו הצליחו החוקרים לזהות סוג חדש של מבנה גנום שלא נראה קודם לכן, אותו כינו "מיקרו-תאים". אלו הן לולאות זעירות מחוברות מאוד שנוצרות כאשר משפרים ומקדמים הממוקמים זה ליד זה נצמדים זה לזה.

במאמר זה, ניסויים חשפו כי לולאות אלו לא נוצרו על ידי אותם מנגנונים היוצרים מבנים גנום אחרים, אך החוקרים לא הצליחו לקבוע בדיוק כיצד הם אכן נוצרים. בתקווה לענות על השאלה הזו, הצוות יצא לחקור תאים כשהם עוברים חלוקת תאים. במהלך מיטוזה, הכרומוזומים הופכים לדחוסים הרבה יותר, כך שניתן לשכפל אותם, למיין אותם ולחלק אותם בין שני תאי בת. בזמן שזה קורה, מבני גנום גדולים יותר הנקראים A/B ​​compartments ותחומים הקשורים טופולוגית (TADs) נעלמים לחלוטין.

החוקרים האמינו שהמיקרו-תאים שגילו ייעלמו גם במהלך מיטוזה. על ידי מעקב אחר תאים לאורך כל תהליך חלוקת התא, הם קיוו ללמוד כיצד המיקרו-תאים מופיעים לאחר השלמת המיטוזה.

"במהלך מיטוזה, חשבו שכמעט כל שעתוק גנים מושבת. ולפני המאמר שלנו, חשבו גם שכל המבנה התלת-ממדי הקשור לוויסות הגנים אבד והוחלף בדחיסה. זה איפוס מוחלט בכל מחזור תא", אומר הנסן.

עם זאת, להפתעתם, החוקרים גילו שעדיין ניתן לראות מיקרו-תאים במהלך מיטוזה, ולמעשה הם הופכים בולטים יותר ככל שהתא עובר חלוקת תאים.

"הלכנו למחקר הזה מתוך מחשבה, ובכן, הדבר היחיד שאנחנו יודעים בוודאות הוא שאין מבנה רגולטורי במיטוזה, ואז מצאנו בטעות מבנה במיטוזה", אומר הנסן.

באמצעות הטכניקה שלהם, החוקרים אישרו גם שמבנים גדולים יותר כמו תאי A/B ו-TAD אכן נעלמים במהלך מיטוזה, כפי שנראה בעבר.

"מחקר זה ממנף את הרזולוציה הגנומית חסרת התקדים של מבחן RC-MC כדי לחשוף היבטים חדשים ומפתיעים של ארגון כרומטין מיטוטי, אשר התעלמנו מהם בעבר באמצעות מבחני 3C מסורתיים מבוססי 3C. הכותבים חושפים שבניגוד לאובדן הדרמטי המתואר היטב של TADs וחלוקה לחלוקה למידורים במהלך "מיטרוזיס, רכיבים דקיקים" פעילים אלמנטים – נשמרים או אפילו מתחזקים זמנית", אומר אפי אפוסטולו, פרופסור חבר לביולוגיה מולקולרית ברפואה ב-Weill Cornell Medicine, שלא היה מעורב במחקר.

עלייה בתמלול

הממצאים עשויים להציע הסבר לעלייה בתעתוק גנים המתרחשת בדרך כלל לקראת סוף המיטוזה, אומרים החוקרים. מאז שנות ה-60, חשבו שהתעתוק נפסק לחלוטין במהלך מיטוזה, אבל ב-2016 וב-2017, כמה מחקרים הראו שתאים עוברים עלייה קצרה של שעתוק, שמדוכאת במהירות עד שהתא מסיים להתחלק.

במחקר החדש שלהם, צוות MIT מצא שבמהלך מיטוזה, יש סיכוי גבוה יותר שימצאו מיקרו-תאים ליד הגנים שמתעצמים במהלך חלוקת התא. הם גם גילו שנראה כי לולאות אלו נוצרות כתוצאה מהדחיסות הגנום המתרחשת במהלך מיטוזה. דחיסה זו מקרבת את המשפרים והמקדמים זה לזה, ומאפשרת להם להיצמד זה לזה ליצירת מיקרו-תאים.

לאחר היווצרות, הלולאות המהוות מיקרו-תאים עשויות להפעיל מעט תעתוק גנים בטעות, אשר לאחר מכן נסגר על ידי התא. כאשר התא מסיים להתחלק, נכנס למצב המכונה G1, רבות מהלולאות הקטנות הללו נחלשות או נעלמות.

"כמעט נראה שהתעתק הזה במיטוזה הוא תאונה לא רצויה הנובעת מיצירת סביבה נוחה במיוחד להיווצרות מיקרו-תאים במהלך מיטוזה", אומר הנסן. "לאחר מכן, התא גוזם ומסנן במהירות רבות מהלולאות הללו החוצה כשהוא נכנס ל-G1."

מכיוון שדחיסת הכרומוזומים יכולה להיות מושפעת גם מגודל התא וצורתו, החוקרים בודקים כעת כיצד שינויים במאפיינים אלה משפיעים על מבנה הגנום ובתורם על ויסות הגנים.

"אנחנו חושבים על כמה הגדרות ביולוגיות טבעיות שבהן תאים משנים צורה וגודל, והאם אנחנו יכולים אולי להסביר כמה שינויים בגנום תלת-ממדיים שקודם לכן חסר להם הסבר", אומר הנסן. "שאלת מפתח נוספת היא כיצד התא בוחר אז מהם המיקרו-תאים לשמור ומהם המיקרו-תאים להסיר כאשר אתה נכנס ל-G1, כדי להבטיח נאמנות של ביטוי גנים?"

המחקר מומן בחלקו על ידי המכונים הלאומיים לבריאות, פרס CAREER של קרן המדע הלאומית, מצפה הגנים של המכון ברוד, פרס Pew-Steward Scholar לחקר הסרטן, קרן Mathers, קרן MIT Westaway, פרויקט הגשר של מכון קוך ומרכז הסרטן דנה-פרבר/הרווארד, ומכון קוך מהתמיכה הלאומית לסרטן (הליבה) מענק הסרטן.