در یک کشف شگفت‌انگیز، دانشمندان حلقه‌های کوچکی را در ژنوم سلول‌های در حال تقسیم پیدا کردند. اخبار از MIT

قبل از اینکه سلول ها تقسیم شوند، ابتدا باید تمام کروموزوم های خود را تکثیر کنند تا هر یک از سلول های دختر بتوانند مجموعه کاملی از مواد ژنتیکی را دریافت کنند. تا به حال، دانشمندان بر این باور بودند که وقتی تقسیم اتفاق می‌افتد، ژنوم ساختار داخلی سه بعدی متمایز را که معمولاً تشکیل می‌دهد از دست می‌دهد.

پس از تکمیل تقسیم، تصور می‌شود که ژنوم به تدریج این ساختار پیچیده و کروی را به دست می‌آورد که نقش اساسی در کنترل اینکه کدام ژن‌ها در یک سلول مشخص می‌شوند را بازی می‌کند.

با این حال، یک مطالعه جدید از MIT نشان می دهد که این تصویر در واقع کاملاً دقیق نیست. با استفاده از یک تکنیک نقشه برداری ژنوم با وضوح بالاتر، تیم تحقیقاتی دریافتند که حلقه های سه بعدی کوچکی که عناصر تنظیم کننده و ژن ها را به هم متصل می کنند، در طول تقسیم سلولی یا میتوز در ژنوم باقی می مانند.

اندرس سیر هانسن، دانشیار مهندسی بیولوژیک در MIT، می گوید: “این تحقیق واقعاً به روشن شدن نحوه تفکر ما در مورد میتوز کمک می کند. در گذشته، میتوز به عنوان یک لوح خالی تصور می شد، بدون رونویسی و بدون ساختار مرتبط با فعالیت ژن. و اکنون می دانیم که کاملاً چنین نیست.” آنچه می بینیم این است که ساختار همیشه وجود دارد. هرگز از بین نمی رود.

محققان همچنین دریافتند که این مدارهای تنظیمی زمانی تقویت می شوند که کروموزوم ها در آماده سازی برای تقسیم سلولی فشرده تر شوند. این فشردگی عناصر تنظیم کننده ژنتیکی را به هم نزدیکتر می کند و آنها را تشویق می کند که به هم بچسبند. این می تواند به سلول ها کمک کند تا فعل و انفعالات موجود در یک چرخه سلولی را “به خاطر بیاورند” و آن را به چرخه بعدی منتقل کنند.

Viraat Goel PhD ’25، نویسنده ارشد این مطالعه گفت: «یافته‌ها به پیوند ساختار ژنوم با عملکرد آن در کنترل روشن و خاموش کردن ژن کمک می‌کند، که برای دهه‌ها چالشی برجسته در این زمینه بوده است.»

هانسن و ادوارد بانیگان، محققی در موسسه مهندسی پزشکی و علوم MIT، نویسندگان اصلی این مقاله هستند که امروز در زیست شناسی ساختاری و مولکولی طبیعت. لئونید میرنی، استاد مؤسسه مهندسی پزشکی و علوم MIT و گروه فیزیک، و گرد بلوبل، استاد دانشکده پزشکی پرلمن در دانشگاه پنسیلوانیا نیز نویسندگان این مطالعه هستند.

یک کشف شگفت انگیز

در طول 20 سال گذشته، دانشمندان کشف کرده اند که درون هسته سلول، DNA خود را در حلقه های سه بعدی سازماندهی می کند. در حالی که بسیاری از حلقه‌ها امکان تعامل بین ژن‌ها و نواحی تنظیمی را فراهم می‌کنند که می‌توانند میلیون‌ها جفت باز از هم فاصله داشته باشند، سایر حلقه‌ها در طول تقسیم سلولی برای فشرده کردن کروموزوم‌ها تشکیل می‌شوند. بیشتر نقشه برداری از این ساختارهای سه بعدی با استفاده از تکنیکی به نام Hi-C انجام شد که در ابتدا توسط تیمی شامل محققان MIT و به سرپرستی جاب دکر از دانشکده پزشکی چان دانشگاه ماساچوست توسعه داده شد. برای انجام Hi-C، محققان از آنزیم‌هایی استفاده می‌کنند تا ژنوم را به قطعات بسیار کوچک برش دهند و قطعاتی را که در فضای سه‌بعدی در هسته سلول به هم نزدیک هستند، به‌صورت بیوشیمیایی پیوند دهند. سپس هویت اجزای متقابل را با ترتیب دادن آنها به ترتیب مشخص می کنند.

با این حال، این تکنیک وضوح کافی برای انتخاب تمام تعاملات خاص بین ژن ها و عناصر تنظیم کننده به عنوان تقویت کننده ندارد. تقویت‌کننده‌ها توالی‌های کوتاهی از DNA هستند که می‌توانند با اتصال به پروموتر ژن – محلی که رونویسی آغاز می‌شود – به فعال‌سازی رونویسی یک ژن کمک کنند.

در سال 2023، هانسن و دیگران تکنیک جدیدی را توسعه دادند که به آنها اجازه داد ساختارهای ژنومی سه بعدی را با وضوح 100 تا 1000 برابر بیشتر از آنچه قبلا ممکن بود تجزیه و تحلیل کنند. این تکنیک که با نام Region-Capture Micro-C (RC-MC) شناخته می شود، از آنزیم متفاوتی استفاده می کند که ژنوم را به قطعات کوچک با اندازه مشابه برش می دهد. همچنین بر بخش کوچک‌تری از ژنوم تمرکز می‌کند و نقشه‌برداری سه‌بعدی با وضوح بالا از یک منطقه هدف از ژنوم را ممکن می‌سازد.

با استفاده از این تکنیک، محققان توانستند نوع جدیدی از ساختار ژنومی را شناسایی کنند که قبلاً دیده نشده بود و آن را «میکرو محفظه» نامیدند. اینها حلقه‌های کوچک محکمی هستند که وقتی تقویت‌کننده‌ها و پروموترهایی که نزدیک به هم قرار دارند به هم می‌چسبند تشکیل می‌شوند.

در این مقاله، آزمایش‌ها نشان می‌دهد که این حلقه‌ها با مکانیسم‌های مشابهی که ساختارهای ژنومی دیگر را تشکیل می‌دهند، تشکیل نمی‌شوند، اما محققان نتوانسته‌اند دقیقاً نحوه تشکیل آنها را تعیین کنند. به امید پاسخ به این سوال، این تیم شروع به مطالعه سلول‌ها در حین تقسیم سلولی کردند. در طی میتوز، کروموزوم‌ها بسیار فشرده‌تر می‌شوند، به طوری که می‌توان آن‌ها را تکثیر، دسته‌بندی و بین دو سلول دختر تقسیم کرد. وقتی این اتفاق می‌افتد، ساختارهای ژنومی بزرگ‌تری به نام محفظه‌های A/B و دامنه‌های مرتبط با توپولوژی (TAD) به طور کامل ناپدید می‌شوند.

محققان بر این باورند که ریز محفظه هایی که آنها کشف کردند در طول میتوز نیز ناپدید خواهند شد. با ردیابی سلول ها در طول فرآیند تقسیم سلولی، آنها امیدوار بودند که یاد بگیرند که چگونه ریز محفظه ها پس از تکمیل میتوز ظاهر می شوند.

هانسن می گوید: “در طول میتوز، تصور می شد که تقریباً تمام رونویسی ژن خاموش شده است. و قبل از مقاله ما، همچنین تصور می شد که تمام ساختار سه بعدی مرتبط با تنظیم ژن از بین رفته و با فشرده سازی جایگزین شده است. این یک بازنشانی کامل در هر چرخه سلولی است.”

با این حال، در کمال تعجب، محققان دریافتند که ریز محفظه ها هنوز در طول میتوز دیده می شوند و در واقع، با عبور سلول از طریق تقسیم سلولی، آنها بیشتر قابل مشاهده هستند.

هانسن می‌گوید: «ما با این فکر وارد این مطالعه شدیم که تنها چیزی که با اطمینان می‌دانیم این بود که هیچ ساختار تنظیم‌کننده‌ای در میتوز وجود ندارد و سپس به طور اتفاقی ساختاری در میتوز پیدا کردیم.

محققان با استفاده از تکنیک خود، همچنین تایید کردند که ساختارهای بزرگتر مانند محفظه های A/B و TADs در طول میتوز ناپدید می شوند، همانطور که قبلا دیده شد.

این مطالعه از وضوح بی‌سابقه آنالیز RC-MC در سراسر ژنوم استفاده می‌کند تا جنبه‌های جدید و شگفت‌انگیز سازمان‌دهی کروماتین میتوزی را که در گذشته با استفاده از آنالیزهای سنتی مبتنی بر 3C نادیده گرفته‌ایم، آشکار کند. نویسندگان نشان می‌دهند که برخلاف از دست دادن چشمگیر TADs و بخش‌بندی‌های بین‌بخشی فعال در طول میتوز، عناصر نظارتی – حفظ یا حتی افی آپوستولو، دانشیار زیست شناسی مولکولی در پزشکی در پزشکی ویل کورنل، که در این مطالعه شرکت نداشت، می گوید: به طور موقت بهبود یافته است.

یک جهش در رونویسی

به گفته محققان، یافته‌ها ممکن است توضیحی برای افزایش در رونویسی ژنی که معمولاً نزدیک به انتهای میتوز رخ می‌دهد، ارائه دهد. از دهه 1960 تصور می‌شد که رونویسی در طول میتوز به طور کامل متوقف می‌شود، اما در سال‌های 2016 و 2017، چندین مطالعه نشان داد که سلول‌ها تحت یک جهش کوتاه در رونویسی قرار می‌گیرند که به سرعت سرکوب می‌شود تا زمانی که سلول تقسیم کامل شود.

در مطالعه جدید خود، تیم MIT دریافت که در طول میتوز، ریز محفظه‌ها بیشتر در نزدیکی ژن‌هایی یافت می‌شوند که در طول تقسیم سلولی افزایش می‌یابند. آنها همچنین دریافتند که به نظر می رسد این حلقه ها در نتیجه فشردگی ژنوم که در طی میتوز رخ می دهد، تشکیل می شوند. این تراکم تقویت کننده ها و پروموترها را به هم نزدیک می کند و به آنها اجازه می دهد تا به هم بچسبند و ریز محفظه ها را تشکیل دهند.

پس از تشکیل، حلقه هایی که نشان دهنده ریز محفظه ها هستند می توانند تا حدودی به طور تصادفی رونویسی ژن را فعال کنند که سپس توسط سلول خاموش می شود. هنگامی که سلول به پایان می رسد و وارد حالتی به نام G1 می شود، بسیاری از این حلقه های کوچک ضعیف تر یا ناپدید می شوند.

هانسن می گوید: «تقریباً به نظر می رسد که این جهش رونویسی در میتوز یک حادثه ناخواسته است که از ایجاد یک محیط منحصر به فرد مطلوب برای تشکیل ریز محفظه در طول میتوز ناشی می شود. سلول پس از ورود به G1 به سرعت بسیاری از این چرخه ها را اصلاح و فیلتر می کند.

از آنجا که تراکم کروموزوم می تواند تحت تأثیر اندازه و شکل سلول نیز قرار گیرد، محققان اکنون در حال بررسی چگونگی تأثیر تغییرات در این ویژگی ها بر ساختار ژنوم و به نوبه خود بر تنظیم ژن هستند.

هانسن می‌گوید: «ما در حال فکر کردن به برخی از تنظیمات بیولوژیکی طبیعی هستیم که در آن سلول‌ها شکل و اندازه تغییر می‌کنند و آیا می‌توانیم برخی تغییرات سه بعدی در ژنوم را توضیح دهیم که قبلاً هیچ توضیحی نداشتند. “یک سوال کلیدی دیگر این است که چگونه سلول انتخاب می کند که در هنگام ورود به G1 کدام ریز محفظه ها را نگه دارد و کدام ریز محفظه ها را حذف کند تا از صحت بیان ژن اطمینان حاصل شود؟”

این تحقیق تا حدی توسط مؤسسه ملی بهداشت، جایزه شغلی بنیاد ملی علوم، رصدخانه تنظیم ژن مؤسسه براد، جایزه پژوهشگر Pew-Steward برای تحقیقات سرطان، بنیاد Mathers، بنیاد MIT Westaway، مؤسسه Koch و Dana-Farber/Harvard Cancer Center a Grant Institute of the Cancer Core of the Co.