Naukowcy, m.in. z Polski, opublikowali na łamach „Nature” najpełniejszą mapę 4D ułożenia DNA w jądrze komórkowym człowieka. Pokazali, że sposób jego upakowania w przestrzeni i w czasie wpływa na działanie genów i może pomóc przewidywać skutki mutacji.
W każdej komórce ludzkiego ciała znajduje się około dwumetrowa nić DNA. Problem w tym, że musi się ona zmieścić w jądrze o średnicy kilku mikrometrów. Jest więc nie tylko ciasno upakowana, ale też precyzyjnie zorganizowana, aby geny i ich regulatory mogły działać w odpowiednim czasie i miejscu. I właśnie tę organizację postanowili zbadać naukowcy z międzynarodowego konsorcjum 4D Nucleome, w tym badacze z Politechniki Warszawskiej i Uniwersytetu Warszawskiego.
Efektem ich prac jest pierwszy atlas 4D nukleomu człowieka, czyli szczegółowa mapa ułożenia nici DNA w trzech wymiarach oraz tego, jak układ ten zmienia się w czasie.
Ułożenie nici DNA
– Można powiedzieć, że projekt 4D Nucleome jest naturalną kontynuacją wcześniejszych badań nad genomem człowieka. Na początku lat 2000, w ramach „Human Genome Project”, międzynarodowy zespół naukowców odczytał pełną sekwencję genomu jednej osoby. Następnie projekt „1000 Genomes” pozwolił poznać sekwencje DNA wielu osób, ujawniając ogromną zmienność między ludźmi – od pojedynczych mutacji nukleotydów po większe warianty strukturalne, takie jak delecje czy duplikacje. Kolejnym krokiem była identyfikacja i interpretacja wzorców epigenomicznych (np. metylacji DNA i innych potranslacyjnych modyfikacji białek oddziałujących z DNA) w wielu liniach komórkowych, reprezentujących główne tkanki ludzkie. I w końcu teraz skupiliśmy się na przestrzennym ułożeniu chromatyny (DNA wraz ze związanymi z nim białkami) w jądrze oraz jego dynamice w czasie, co pozwoli lepiej zrozumieć, jak struktura genomu wpływa na funkcjonowanie komórki – powiedział prof. dr hab. Dariusz Plewczyński z Wydziału Matematyki i Nauk Informacyjnych Politechniki Warszawskiej oraz Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego, jeden z autorów publikacji.
Jak wyjaśnił, choć DNA ma formę długiej nici, to w jądrze komórkowym układa się w skomplikowaną, przestrzenną strukturę, która zmienia się w czasie. Badania z zakresu genomiki 3D oraz wysokorozdzielczego obrazowania ujawniły obecność pętli chromatynowych i domen genomowych, w obrębie których niektóre fragmenty DNA znajdują się bliżej siebie w przestrzeni, a inne dalej. Ma to duże znaczenie dla ich funkcji biologicznej, ponieważ liniowo fragmenty te mogą być oddalone nawet o miliony par zasad, a w przestrzeni mogą się ze sobą kontaktować.
Elementy regulatorowe
Projekt 4D Nucleome ujawnił, że te odległości nie są przypadkowe – są podyktowane funkcjonalnie istotnymi relacjami pomiędzy promotorami genów a elementami regulacyjnymi, czyli enhancerami. Enhancery odpowiadają za aktywację transkrypcji genów i są specyficzne dla danej tkanki. Dzięki nim np. w neuronach aktywne są geny odpowiedzialne za funkcje układu nerwowego, podczas gdy w komórkach wątroby włączone są geny kodujące białka niezbędne dla funkcjonowania tego narządu.
– Bliskość elementów regulatorowych w przestrzeni trójwymiarowej względem promotora danego genu wpływa na poziom ekspresji tego genu, czyli jego aktywność w danej komórce i w ustalonym momencie. Wykazaliśmy, że zależność między bliskością przestrzenną fragmentów DNA a ich funkcją biologiczną wpływa na aktywność genomu – zaznaczył prof. Plewczyński.
Jego zdaniem można to porównać do paradygmatu znanego z badań nad białkami: sekwencja aminokwasowa determinuje strukturę trójwymiarową białka, a ta z kolei pozwala zrozumieć jego funkcję biologiczną. W przypadku genomu paradygmat jest podobny, choć bardziej skomplikowany i trudniejszy do zbadania, ponieważ zamiast ok. 300 aminokwasów w DNA mamy ponad trzy miliardy par zasad.
Dodatkowo każda komórka cechuje się innym ułożeniem chromatyny. Nie istnieje więc jedna trójwymiarowa struktura charakteryzująca stan komórki; zamiast tego obserwuje się raczej cały zespół możliwych struktur 3D, unikalny dla danej tkanki.
Zmiany w czasie
Ważną częścią projektu 4D Nucleome, poza zmapowaniem przestrzennej organizacji DNA, było określenie, jak ta struktura zmienia się w czasie. Członkowie zespołu badawczego analizowali więc dynamikę genomu, czyli reorganizację chromatyny w jądrze komórkowym, np. w różnych momentach cyklu komórkowego czy w odpowiedzi na różne sygnały z otoczenia. Chcieli zrozumieć, jak przestrzeń i czas razem wpływają na funkcjonowanie komórki i działanie całego organizmu.
– Nie ograniczaliśmy się do jednego „zamrożonego” obrazu genomu. W żywym organizmie DNA cały czas się przemieszcza i reorganizuje. Zrozumienie tej dynamiki ma duże znaczenie praktyczne – powiedział prof. Plewczyński.
Okazuje się bowiem, że niektóre mutacje genetyczne w regionach niekodujących nie zmieniają samej sekwencji kodowanego przez gen białka, ale raczej jego położenie w przestrzeni trójwymiarowej. W efekcie gen może się przemieszczać w inne miejsce jądra i tracić kontakt z ważnymi regulatorami, co wpływa na jego działanie, zmniejszając lub zwiększając poziom transkrypcji i prowadząc do chorób.
Czynniki stresowe
Układ DNA w jądrze może zmieniać się również w odpowiedzi na czynniki stresowe, takie jak niedobór tlenu czy stres replikacyjny. Komórka musi na nie reagować – aktywować geny potrzebne do przetrwania, przemieszczając je w przestrzeni trójwymiarowej, aby mogły efektywniej współdziałać z odpowiednimi regulatorami, a jednocześnie wyciszać te geny, które mogłyby w danej sytuacji zaszkodzić lub które nie są potrzebne.
Jak podsumował prof. Plewczyński, badania w ramach projektu 4D Nucleome, pozwolą też w przybliżeniu określić niepoznane dotąd funkcje biologiczne różnych regionów DNA, odkrywając trzeci wymiar informacji biologicznej. Analizując ekspresję genu w konkretnym czasie i konkretnej tkance, interakcje przestrzenne DNA oraz zmiany epigenomiczne, można stawiać hipotezy o tym, w jakich komórkach geny są aktywne, i w jakich procesach mogą uczestniczyć. Nie daje to pełnego zrozumienia mechanizmu działania genu, ale pozwala na orientacyjną ocenę jego roli biologicznej w badanym kontekście.
Projekt 4D Nucleome prowadzony był przez międzynarodowe konsorcjum badawcze, skupiające setki naukowców z kilkudziesięciu instytucji na całym świecie. Jest wynikiem połączenia prac genetyków, biologów komórki, specjalistów modelowania komputerowego, bioinformatyków, biofizyków i matematyków.
Polski zespół – prof. dr hab. Dariusz Plewczyński, dr Mateusz Chiliński i dr Kaustav Sengupta z Politechniki Warszawskiej oraz Centrum Nowych Technologii UW – zajmował się dwoma obszarami związanymi z modelowaniem komputerowym. Pierwszym było tworzenie biofizycznych modeli trójwymiarowej struktury chromatyny, odwzorowujących dynamiczne procesy zachodzące w jądrze komórkowym. Drugi obejmował zaawansowane modele sztucznej inteligencji, które przewidywały zmiany ekspresji genów oraz trójwymiarowej struktury genomu, w tym skutki wprowadzanych do DNA mutacji punktowych czy wariantów strukturalnych (np. delecji).
Źródło: www.naukawpolsce.pl, fot. RawPixel/ CC0
