צוות של מדענים גילה קשרים מפתיעים בין פעילות גנים, אריזת גנום ותנועות רחבות הגנום, וחושפים היבטים של ארגון הגנום המשפיעים ישירות על ויסות וביטוי גנים.
הממצאים, דווחו בכתב העת תקשורת טבעלחזק את ההבנה שלנו של המכניקה מאחורי תנועות תלויות שעתוק של גנים בודדים – חוסר תפקודם עלול להוביל להפרעות נוירולוגיות וקרדיווסקולריות כמו גם לסרטן.
הגנום 'נבוח' על ידי תנועות מונעות שעתוק של גנים בודדים. גנים נעים בצורה שונה, תלוי אם הם נקראים או לא, מה שמוביל לתנועות מורכבות, דמויות סוערות, של הגנום האנושי. הבנת המכניקה מאחורי תנועות תלויות שעתוק של גנים בודדים בגרעין עשויה להיות קריטית להבנת הגנום האנושי בבריאות ובמחלות."
אלכסנדרה זידובסקה, פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת ניו יורק ומחברת בכירה של המחקר
הגנום האנושי מורכב משני מטרים (שישה וחצי רגל) של DNA, שארוז בתוך התא בגרעין בקוטר של בקושי 10 מיקרומטר – או קטן פי 100,000 מאורך ה-DNA של הגנום. מולקולת ה-DNA מקודדת מידע עבור כל התהליכים והתפקודים התאיים, כאשר הגנים משמשים כיחידות מידע. קוראים גנים שונים, והמידע שלהם מעובד בזמנים שונים. כאשר גן נקרא, יש מנגנון מולקולרי הניגש אליו ומתמלל את המידע שלו למולקולת mRNA, תהליך המכונה שעתוק.
בעבר גילו, על ידי זידובסקה ועמיתיה, שהגנום עובר הרבה "ערבול", או תנועה, מה שמוביל לארגון מחדש ולמיקומו מחדש בגרעין.
עם זאת, ה מָקוֹר מהתנועות הללו מובן מעט. מדענים שיערו כי מנועים מולקולריים המונעים על ידי מולקולות אדנוזין טריפוספט (ATP), המספקות אנרגיה לתהליכים ביולוגיים רבים, הם המניעים. מנועים פעילים אלה נחשבים להפעיל כוחות על DNA, אשר יכול להוביל לתנועה של DNA והנוקלאופלזמה; הנוזל שמסביבו. אבל התחבולות הפיזיות הגדולות יותר שמאחוריה נותרות חמקמקות.
מתוך מחשבה על כך, זידובסקה ועמיתיה התמקדו ב-RNA פולימראז II-;אחראי על התעתוק ואחד המנועים המולקולריים הנפוצים ביותר בגרעין התא. כאשר גן פעיל, כלומר מתומלל באופן פעיל, המנגנון המולקולרי האחראי מפעיל כוחות על ה-DNA במהלך עיבודו.
ה תקשורת טבע מחקר חקר כיצד תנועה של גן בודד שעומלל באופן פעיל משפיעה על תנועות הגנום סביבו בתאים אנושיים חיים. לשם כך, המחברים השתמשו בטכנולוגיית CRISPR כדי לתייג גנים בודדים בצורה ניאון, מיקרוסקופיה של תאים חיים ברזולוציה גבוהה בשני צבעים כדי לדמיין את התנועה של הגנים המסומנים הללו וספקטרוסקופיה של מתאם עקירה (DCS) כדי למפות בו זמנית זרימות של הגנום על פני הגרעין. נתוני ההדמיה ברזולוציה גבוהה עובדו לאחר מכן באמצעות ניתוח פיזיקלי ומתמטי, תוך חשיפת תמונה פיזית שטרם נראתה של האופן שבו גנים נעים בתוך התא.
במחקרם, החוקרים בחנו תחילה את תנועות הגנים – כאשר הם לא פעילים – ואז "הפעילו" את הגנים הללו וצפו כיצד התנועה שלהם משתנה ברגע שהם "פעילים". במקביל, המחברים השתמשו ב-DCS כדי למפות זרימות של הגנום שמסביב, תוך ניטור כיצד הגנום זורם על פני הגרעין לפני ואחרי הפעלת הגנים.
בסך הכל, המחברים מצאו כי גנים פעילים תורמים לתנועה המסעירה של הגנום. באמצעות מיפוי סימולטני של תנועות של גן בודד ורחבי הגנום, הם חושפים שהדחיסה של הגנום משפיעה על האופן שבו הגן תורם. באופן ספציפי, ניתוח מתאם תנועה הצביע על כך שגן פעיל יחיד מניע את תנועות הגנום באזורי דחיסה נמוכה, אך גנום בעל דחיסה גבוהה מניע את תנועת הגנים ללא קשר למצב הפעילות שלו.
"על ידי חשיפת הקשרים הבלתי צפויים הללו בין פעילות גנים, דחיסה של הגנום ותנועות רחבות הגנום, ממצאים אלה חושפים היבטים של הארגון המרחבי-זמני של הגנום המשפיעים ישירות על ויסות וביטוי גנים", אומר זידובסקה.
העבודה גם מוסיפה להבנתנו את הפיזיקה.
"מחקר זה מספק תובנות חדשות על הפיזיקה של מערכות פעילות וחיות", היא מציינת. "על ידי חשיפת התנהגות מתהווה של מערכות חיים פעילות, כמו הגנום האנושי, היא מלמדת אותנו פיזיקה חדשה."
מחבריו הנוספים של המאמר היו Fang-Yi Chu ואלכסיס ס. Clavijo, דוקטורנטים של NYU, ו-Suho Lee, חוקר פוסט-דוקטורט של NYU.
מחקר זה נתמך על ידי מענקים מהמכונים הלאומיים לבריאות (R00-GM104152 ו-R01-GM145924), הקרן הלאומית למדע (CAREER PHY-1554880, PHY-2210541 ו-CMMI-1762506), וממלגת Whitehead של אוניברסיטת ניו יורק עבור סגל זוטר למדעי הביו-רפואה והביולוגיה.
