دانشمندان حرکت دینامیکی نواحی ژن را روی کروموزوم ها تجسم می کنند

کروموزوم‌هایی که اطلاعات ژنتیکی ما را ذخیره می‌کنند، علیرغم اینکه به‌طور متراکم در هسته قرار می‌گیرند، همیشه در حرکت هستند. این به نواحی خاصی اجازه می دهد تا در تماس باشند و در نتیجه یک ژن را فعال کنند. گروهی از دانشمندان مؤسسه علم و فناوری اتریش (ISTA)، دانشگاه پرینستون و انستیتو پاستور در پاریس اکنون این فرآیند پویا را تجسم کرده و بینش جدیدی در مورد ویژگی‌های فیزیکی DNA ارائه می‌کنند.

انجام علوم پیشرفته مستلزم تفکر خارج از چارچوب و گرد هم آوردن رشته های علمی مختلف است. گاهی اوقات این به معنای قرار گرفتن در مکان مناسب در زمان مناسب است. برای دیوید بروکنر، محقق فوق دکترا و همکار NOMIS در ISTA، همه موارد ذکر شده در بالا با شرکت در یک سخنرانی در محوطه دانشگاه توسط پروفسور توماس گرگور از دانشگاه پرینستون به اجرا درآمد. بروکنر با الهام از این سخنرانی، ایده‌ای را مطرح کرد: تفسیر فیزیکی مجموعه داده‌های خاصی که گرگور ارائه کرده است. اکنون نتایج همکاری آنها در Science منتشر شده است. آنها حرکت تصادفی (تصادفی) دو عنصر ژنی خاص را روی یک کروموزوم برجسته می کنند، که برای فعال شدن ژن در فضای سه بعدی باید در تماس باشند.

نحوه قرار گرفتن DNA در هسته سلول

موجودات زنده مانند انسان بر روی ژن هایی ساخته شده اند که در نقشه مولکولی DNA ذخیره شده اند. DNA یک پلیمر است، یک مولکول عظیم از قطعات کوچکتر (مونومر). در هسته هر سلول قرار دارد. بروکنر توضیح می دهد: بسته به ارگانیسم، پلیمر DNA می تواند تا متر طول داشته باشد، با این حال اندازه هسته در حد میکرون است. برای قرار گرفتن در هسته کوچک، DNA با پیچیده شدن مانند روی یک قرقره فشرده می شود و بیشتر به شکل شناخته شده کروموزوم ها فشرده می شود، که همه ما در یک کتاب درسی زیست شناسی با آن مواجه شده ایم.

این فیزیکدان ادامه می دهد: «علیرغم اینکه کروموزوم ها به شدت متراکم هستند، ایستا نیستند، آنها همیشه در حال چرخش هستند. این پویایی ها بسیار مهم هستند. هر زمان که یک ژن خاص باید فعال شود، دو ناحیه روی پلیمر به نام‌های “تقویت‌دهنده” و “پروتر” باید در تماس نزدیک قرار گیرند و به یکدیگر متصل شوند. تنها زمانی که این اتفاق می‌افتد، یک ماشین سلولی اطلاعات ژن را می‌خواند و مولکول RNA را تشکیل می‌دهد، که در نهایت پروتئین‌هایی را به وجود می‌آورد که برای تمام فرآیندهایی که یک موجود زنده به آن نیاز دارد، ضروری است.

بسته به ارگانیسم، تقویت کننده و پروموتر می توانند در کروموزوم کاملاً از یکدیگر دور باشند. بروکنر توضیح می‌دهد: «با روش‌هایی که قبلاً استفاده می‌شد، می‌توان دید ایستا از فاصله بین این عناصر دریافت کرد، اما نه اینکه چگونه سیستم در طول زمان تکامل می‌یابد». دانشمندان که شیفته این اطلاعات گم شده بودند، تصمیم گرفتند نگاهی پویا به نحوه سازماندهی این عناصر و نحوه حرکت آنها در فضای سه بعدی در زمان واقعی داشته باشند.

تجسم مناطق ژنی

برای دستیابی به این هدف، دانشمندان تجربی از پرینستون روشی را برای ردیابی این دو عنصر DNA در یک دوره زمانی معین در جنین مگس ایجاد کردند. از طریق دستکاری ژنتیکی، عناصر DNA به‌صورت فلورسنت نشان‌گذاری شدند که ناحیه تقویت‌کننده به رنگ سبز و پروموتر به رنگ آبی روشن می‌شد. دانشمندان با استفاده از تصویربرداری زنده (میکروسکوپ تایم لپس سلول‌های زنده) توانستند نقاط فلورسنت را در جنین‌های مگس تجسم کنند تا ببینند چگونه آنها برای یافتن یکدیگر در حال حرکت هستند.

هنگامی که این دو نقطه به هم نزدیک شدند، ژن فعال شد و یک چراغ قرمز اضافی روشن شد زیرا RNA نیز با فلوروفورهای قرمز برچسب گذاری شد. بروکنر با هیجان می‌افزاید: “ما یک بازخوانی بصری از زمانی که تقویت‌کننده و پروموتور در تماس بودند، دریافت کردیم. این اطلاعات زیادی در مورد مسیر حرکت آنها به ما داد.”

DNA به طور متراکم بسته شده است و حرکت سریع را نشان می دهد

سپس چالش این بود که چگونه این مجموعه داده عظیم از حرکت تصادفی را تجزیه و تحلیل کنیم. پیشینه او در فیزیک نظری به بروکنر اجازه داد تا آماری را برای درک رفتار معمولی سیستم استخراج کند. او دو مدل فیزیکی ساده و متفاوت را برای برش داده ها اعمال کرد.

یکی مدل Rouse بود. فرض بر این است که هر مونومر پلیمر یک فنر الاستیک است. این یک ساختار سست و انتشار سریع را پیش‌بینی می‌کند؛ یک حرکت تصادفی، که در آن گاهی مناطق ژنی با یکدیگر مواجه می‌شوند. مدل دیگر «گلبول فراکتال» نام دارد. این ساختار بسیار فشرده و در نتیجه انتشار آهسته را پیش بینی می کند. “به طور شگفت انگیزی، ما در داده ها دریافتیم که سیستم با ترکیبی از این دو مدل توصیف می شود – یک ساختار بسیار متراکم که شما بر اساس مدل گلبول فراکتال انتظار دارید، و انتشار که توسط آمارهای مدل Rouse توصیف شده است.” بروکنر توضیح می دهد.

به دلیل ترکیبی از بسته بندی متراکم و حرکت سریع، اتصال این دو ناحیه ژنی بسیار کمتر از آنچه قبلاً پیش بینی می شد به فاصله آنها در امتداد کروموزوم بستگی دارد. بروکنر می افزاید: «اگر چنین سیستمی همیشه در حالت سیال و پویا باشد، ارتباط از راه دور بسیار بهتر از آن چیزی است که ما فکر می کردیم.

این مطالعه دنیای زیست شناسی و فیزیک را گرد هم می آورد. برای فیزیکدانان، جالب است، زیرا دانشمندان دینامیک یک سیستم پیچیده زیستی را با تئوری های فیزیکی که برای مدت طولانی وجود داشته است، آزمایش کردند. و برای زیست شناسان، بینش هایی در مورد ویژگی های یک کروموزوم ارائه می دهد که ممکن است به درک تعامل ژن و فعال شدن ژن با جزئیات بیشتر کمک کند.