חוקרים מאוניברסיטת קיושו חשפו כיצד מרחק מרחבי בין אזורים ספציפיים של DNA קשור להתפרצויות של פעילות גנים. באמצעות טכניקות הדמיה מתקדמות של תאים ומודלים ממוחשבים, הראו החוקרים כי הקיפול והתנועה של ה-DNA, כמו גם הצטברות של חלבונים מסוימים, משתנים בהתאם אם הגן פעיל או לא פעיל. המחקר, שפורסם ב-6 בדצמבר ב התקדמות המדעשופך תובנה על העולם המסובך של ביטוי גנים ויכול להוביל לטכניקות טיפוליות חדשות למחלות הנגרמות על ידי ויסות לא תקין של ביטוי גנים.
ביטוי גנים הוא תהליך בסיסי המתרחש בתוך תאים, עם שני שלבים עיקריים: שעתוק, שבו ה-DNA מועתק ל-RNA, ותרגום, שבו ה-RNA משמש לייצור חלבונים. כדי שכל תא יבצע את תפקידיו הספציפיים בגוף, או יגיב לתנאים משתנים, יש לייצר את הכמות הנכונה של חלבון בזמן הנכון, כלומר יש להפעיל ולכבות גנים בקפידה.
בעבר, חשבו שעתוק גנים מתרחש בתהליך מתמשך וחלק. אבל עם טכנולוגיה טובה יותר לצפייה בתאים בודדים, מדענים יודעים כעת שהתעתוק מתרחש בהתפרצויות קצרות ובלתי צפויות.
גן יופעל באופן אקראי לכמה דקות וכמויות גדולות של RNA ייווצרו. ואז, הגן יכבה לפתע שוב. זה קורה כמעט בכל הגנים, ובכל היצורים החיים, מצמחים, דרך בעלי חיים ועד חיידקים".
פרופסור הירושי אוצ'איי, מהמכון הרפואי לרגולציה ביולוגית של אוניברסיטת קיושו ומחברת המחקר הבכירה
אופי לא יציב ודינמי זה של שעתוק, המכונה התפוצצות תעתיק, הוא מנגנון מפתח לשליטה בפעילות הגנים בתאים בודדים. זו אחת הסיבות לכך שתאים בתוך אותה סביבת רקמה או תרבית מראים שונות ברמות ביטוי הגנים שלהם, שהיא חיונית לתהליכים כמו התפתחות עוברית מוקדמת ואבולוציה של סרטן. עם זאת, המנגנונים המדויקים מאחורי התפוצצות עדיין לא ידועים.
במחקר זה, החוקרים החליטו לבדוק את תפקידם של רצפי DNA הידועים כמשפרים ומקדמים, וכיצד המרחק המרחבי שלהם משפיע על התפוצצות התעתיק. הפרומוטור ממוקם בדרך כלל ממש ליד הגן, והוא המקום שבו החלבון שמבצע את השעתוק מתחבר ל-DNA. מאידך גיסא, משפרים רחוקים לרוב מאות רבות של אלפי בסיסים מהגן, אך כאשר גדילי DNA נעים ומתקפלים, משפרים עדיין יכולים להגיע קרוב לגנים בחלל התלת-ממדי, ולהגביר את פעילות הגנים.
"אנו מאמינים שלמשפרים יש תפקיד מכריע בסיבה שעתוק מתרחש בפרצי פעילות, אבל עד כה, המחקר לא ברור", אומר אוצ'איי.
כדי לבדוק את הרעיון הזה, אוצ'אי והצוות שלו השתמשו בטכניקת הדמיה מתקדמת בשם seq-DNA/RNA-IF-FISH, המסמנת DNA, RNA וחלבונים ספציפיים באמצעות בדיקות פלואורסצנטיות. הטכניקה המשולשת הזו אפשרה לחוקרים ללכוד בו-זמנית את מיקומם של DNA, RNA וחלבונים ספציפיים בחלל תלת-ממדי בתוך תאי גזע עובריים בודדים של עכברים. בעזרת המידע הזה, הצוות יכול היה לקבוע אם גנים מסוימים מופעלים או כבויים, לראות כיצד המקדמים והמשפרים היו אינטראקציה במהלך פרצי פעילות, והיכן החלבונים מצטברים, ברמת פירוט חסרת תקדים.
כדוגמה, החוקרים התמקדו בגן שנקרא ננוג, אורך של 770,000 בסיס של DNA על כרומוזום 6, בעל פרומוטור ושלושה אזורי משפר וידוע שהוא עובר התפוצצות תעתיק בתאי גזע עובריים של עכברים מתורבתים.
החוקרים מצאו כי בתאים מצולמים היכן ננוג RNA היה קיים (כלומר הגן היה פעיל), המשפר המרוחק ביותר נמצא בסמיכות מרחבית ל- ננוג גֵן. לעומת זאת, מתי ננוג לא היה פעיל, ההדמיה הראתה שאותו אזור משפר היה רחוק יותר פיזית.
בנוסף, המדענים מצאו גם שחלבונים המעורבים בוויסות התעתוק הצטברו גם באזור שמסביב למשפרים והמקדמים כאשר ננוג היה פעיל.
כדי להבין טוב יותר את המנגנון, אוצ'אי וצוותו השתמשו במודלים ממוחשבים כדי לדמות כיצד חלקי הדנ"א השונים מתקשרים ונעים בתוך התא, הן כאשר גן ננוג הוא פעיל ולא פעיל.
הם פיתחו את המודל שלהם על ידי שימוש בנתונים מניסויי ההדמיה שלהם כדי ליצור "מפה" של התדירות שבה אזורים שונים של DNA קיימו אינטראקציה זה עם זה וכיצד ה-DNA היה מקופל בחלל. באמצעות מפה זו, המודל הדמה כיצד שרשרת ה-DNA עשויה לנוע באופן אקראי.
המודל חזה שבמצב הפעיל, כל אזור משפר קיים אינטראקציה במשך יותר מפי שניים יותר זמן עם המקדמים, בהשוואה לזמן שבו הגן לא היה פעיל.
המודל הראה שתקופות אינטראקציה ארוכות יותר אלו התרחשו עקב "חיכוך" סביב ה-DNA. עקב הצטברות חלבונים ו-RNA כאשר ננוג היה פעיל, הנוזל הפך לצמיג יותר, וגרם לגדיל ה-DNA המעוצב לנוע לאט. לכן, הגן הצליח להישאר פעיל לפרצי זמן ארוכים יותר. לעומת זאת, הדנ"א המדומה זז מהר יותר כאשר ננוג לא היה פעיל, כלומר למקדם ולמשפרים לא היה זמן לקיים אינטראקציה.
"הדוגמנות מרמזת שהתפוצצות מיוצבת בגלל לולאות החיזוק הללו", סיכם אוצ'איי. "כמובן שזו רק סימולציה. השלב הבא הוא להוכיח שהמנגנון הזה מתרחש גם בתאים".
