U kompleksu koji se zove hromatin, dugi lanci DNK u jezgru ćelija su čvrsto omotani oko skele od proteina, poput smotane lopte prediva. Nova studija istraživača Veill Cornell Medicine otkriva da pored pružanja pogodnog načina za skladištenje DNK u uskom prostoru, 3D organizacija nekodirajućih genskih regulatora u hromatinu doprinosi kontroli ključnih programa ćelijskog identiteta u ranom embrionalnom razvoju.
Rezultati imaju implikacije za razumevanje ovog kritičnog perioda i kako promene u arhitekturi 3D hromatina mogu doprineti razvojnim abnormalnostima ili bolestima kao što su dijabetes ili rak.
Studija, objavljena u Nature Structural & Molecular Biology, pruža nove uvide u složeni sloj genetske regulacije. Pokazuje da u najranijim fazama embrionalnog razvoja promene u 3D organizaciji DNK diktiraju odluke o sudbini ćelije. Nekodirajući delovi DNK, nazvani pojačivači, koji regulišu prostorno-vremensku ekspresiju drugih gena, igraju ključnu ulogu.
Način na koji je DNK presavijen u sićušnom jezgru približava ove pojačivače genima koje oni regulišu i diktira koji programi ekspresije gena će biti uključeni. Oni pokazuju da je ovaj tip 3D epigenetske regulacije kritičan za posvećenje jednoj od prvih ćelijskih linija formiranih u embrionu. Oni takođe identifikuju „3D čvorišta“ u visokoj interakciji, klastere pojačivača i gena, koji su od vitalnog značaja u diktiranju ovih sudbina ćelija.
„Ako želite da razumete regulaciju ekspresije gena ili programa ekspresije gena, apsolutno je ključno razumeti trodimenzionalnu organizaciju DNK“, rekla je glavni autor Effie Apostolou, vanredni profesor molekularne biologije u medicini na Veill Cornell Medicine. „Takođe je od suštinskog značaja za razumevanje kako pogrešno savijanje 3D DNK može dovesti do neregulisanih genskih programa u bolesti.“
Ne tako davno, naučnici su nekodirajuće delove DNK nazivali „smećem DNK“, rekao je Apostolu. Međutim, naučnici su naučili da nekodirajući delovi DNK igraju kritičnu ulogu u kontroli ekspresije drugih gena, često dok su na velikoj udaljenosti od gena, i da mutiranje, utišavanje ili ponovno povezivanje ovih pojačivača može izazvati bolest. Ali sa stotinama hiljada potencijalnih nekodirajućih pojačivača u genomu, njihovo uparivanje sa genima koje kontrolišu i predviđanje koji od njih imaju uticaj ostaje veoma teško.
„Bilo je veoma teško identifikovati funkcionalne pojačivače i dodeliti ih ispravnom ciljnom genu ili genima i utvrditi da li pojačivači rade zajedno na sinergistički, konkurentski ili redundantni način“, rekla je ona. „Sada verujemo da se mnogi od ovih izazova mogu rešiti razumevanjem kako svi ovi elementi interaguju u 3D jezgru.“
U studiji, Apostolou i kolege su ispitali 3D arhitekturu presavijene DNK u jezgru tokom najranijih faza embrionalnog razvoja na životinjskom modelu. Oni pokazuju da kako ćelije počinju da se menjaju u prve tri različite ćelijske loze, dolazi do značajnog remodeliranja u jezgru koje rezultira varijacijama u 3D arhitekturi DNK među tipovima ćelija.
Ove razlike diktiraju obrasce ekspresije gena u svakom tipu ćelije. Pronašli su najaktivnije gene specifične (ili potpisne) za ćelijski tip grupisane u „3D čvorišta“ u odgovarajućem tipu ćelije.
„Mapirali smo 3D organizaciju DNK u prve tri ćelijske linije tokom ranog razvoja i koristili mape da pronađemo kritične nekodirajuće pojačivače gena koji pomažu u kontroli sudbine svake ćelijske linije“, rekla je ona.
Koautor studije Aleksandar Polizos, instruktor računarstva molekularne biologije u medicini u Veill Cornell Medicine, izgradio je model mašinskog učenja ovih 3D interakcija da predvidi koji će geni biti uključeni – i koliko – u svakom tipu ćelije tokom ranog razvoja. Model je bio tačniji od prethodnih modela koji nisu uzimali u obzir ovaj nivo 3D organizacije.
„Mapiranjem 3D interakcija, dobili smo mnogo bolje razumevanje onoga što kontroliše ekspresiju gena i kako geni mogu koordinirano da menjaju svoje nivoe tokom tranzicije između različitih sudbina ćelija“, rekao je Apostolou, koji je takođe član Centra za rak Sandra i Edvarda Majera. u Veill Cornell Medicine.
3D organizacija DNK u određenom tipu ćelije može dovesti najvažnije gene i pojačivače gena u tom tipu ćelije fizički blizu jedan drugom kako bi se omogućile njihove interakcije, objasnila je ona. Nasuprot tome, istraživači su takođe pokazali da je aktivnost „gena za održavanje domaćinstva“, koji su neophodni za osnovne funkcije ćelije i aktivni bez obzira na tip ćelije, manje pogođena 3D organizacijom i interakcijama sa distalnim pojačivačima.
Zatim su koristili model da sistematski testiraju šta se dešava kada „razbijete“ ovu organizaciju ciljajući pojedinačne pojačivače ili čvorišta. Otkrili su da su ciljana čvorišta imala najveći uticaj na ekspresiju gena.
Sledeći koraci za tim su proučavanje 3D pakovanja DNK i ekspresije gena pomoću ljudskih ćelija. Oni sarađuju sa drugim istraživačima kako bi utvrdili kako poremećaj ove 3D arhitekture može doprineti bolestima poput raka ili dijabetesa.
„Želimo da izgradimo više modela da bismo razumeli kako pojačivači i geni komuniciraju u 3D jezgru i šta se menja u kontekstu različitih bolesti“, rekao je Apostolou.
Istraživanje takođe dodaje još jedan sloj naučničkom razumevanju epigenetske regulacije ćelijskog identiteta. Apostolou je objasnio da su se naučnici u početku fokusirali na identifikaciju kodirajućih gena i šta oni rade. Zatim su proučavali nekodirajuće genetske elemente koji uključuju i isključuju gene. Sada moraju uzeti u obzir i 3D organizaciju oba.
„Razumevanje 3D arhitekture DNK pakovanja objedinjuje sve ovo da bi se razumeli bolji geni, njihovi regulatori i kako oni međusobno deluju i otkriju nove načine za modulaciju ovih složenih odnosa za reprogramiranje ćelijskog identiteta“, rekla je ona.
