Istraživači sa Univerziteta Kjušu otkrili su kako je prostorna udaljenost između određenih regiona DNK povezana sa naletima genske aktivnosti. Koristeći napredne tehnike snimanja ćelija i kompjutersko modeliranje, istraživači su pokazali da se savijanje i kretanje DNK, kao i akumulacija određenih proteina, menja u zavisnosti od toga da li je gen aktivan ili neaktivan.
Studija, objavljena 6. decembra u Science Advances, baca uvid u komplikovan svet ekspresije gena i može dovesti do novih terapijskih tehnika za bolesti uzrokovane nepravilnom regulacijom ekspresije gena.
Ekspresija gena je fundamentalni proces koji se dešava unutar ćelija, sa dve glavne faze: transkripcijom, gde se DNK kopira u RNK, i translacijom, gde se RNK koristi za pravljenje proteina. Da bi svaka ćelija obavljala svoje specifične funkcije u telu, ili da bi odgovorila na promenljive uslove, prava količina proteina mora biti proizvedena u pravo vreme, što znači da geni moraju biti pažljivo uključeni i isključeni.
Ranije se smatralo da se transkripcija gena odvija u kontinuiranom, glatkom procesu. Ali sa boljom tehnologijom za posmatranje pojedinačnih ćelija, naučnici sada znaju da se transkripcija dešava u kratkim, nepredvidivim naletima.
„Gen će se nasumično uključiti na nekoliko minuta i proizvesti će se velike količine RNK. Zatim će se gen iznenada ponovo isključiti“, kaže profesor Hiroši Očijai, sa Medicinskog instituta za bioregulaciju Univerziteta Kjušu i viši autor studije. „To se dešava u skoro svim genima, iu svim živim bićima, od biljaka, preko životinja, do bakterija.“
Ova nestalna i dinamična priroda transkripcije, poznata kao rasprskavanje transkripcije, je ključni mehanizam za kontrolu aktivnosti gena u pojedinačnim ćelijama. To je jedan od razloga zašto ćelije u istom okruženju tkiva ili kulture pokazuju varijabilnost u nivoima ekspresije gena, što je ključno za procese kao što su rani razvoj embriona i evolucija raka. Međutim, tačni mehanizmi iza pucanja ostaju nepoznati.
U ovoj studiji, istraživači su odlučili da ispitaju ulogu sekvenci DNK poznatih kao pojačivači i promoteri, i kako njihova prostorna udaljenost utiče na transkripciono pucanje. Promotor se obično nalazi odmah pored gena i na njemu se protein koji vrši transkripciju vezuje za DNK. S druge strane, pojačivači su često na stotine hiljada baza udaljeni od gena, ali kako se lanci DNK pomeraju i savijaju, pojačivači i dalje mogu završiti blizu gena u 3D prostoru, pojačavajući aktivnost gena.
„Verujemo da pojačivači igraju ključnu ulogu u tome zašto se transkripcija javlja u naletima aktivnosti, ali za sada je istraživanje nejasno“, kaže Ochiai.
Da bi testirali ovu ideju, Ochiai i njegov tim su koristili naprednu tehniku snimanja pod nazivom sek-DNA/RNA-IF-FISH, koja označava DNK, RNK i specifične proteine fluorescentnim sondama.
Ova troslojna tehnika omogućila je istraživačima da istovremeno shvate lokaciju DNK, RNK i specifičnih proteina u 3D prostoru unutar pojedinačnih embrionalnih matičnih ćelija miša. Sa tim informacijama, tim je mogao da utvrdi da li su određeni geni uključeni ili isključeni, da vidi kako su promoteri i pojačivači bili u interakciji tokom naleta aktivnosti i gde su se proteini akumulirali, na neviđenom nivou detalja.
Kao primer, istraživači su se fokusirali na gen nazvan Nanog, dužinu DNK od 770.000 baza na hromozomu 6, koji ima promoter i tri regiona pojačivača i poznato je da prolazi kroz transkripciono pucanje u kultivisanim matičnim ćelijama embriona miša.
Otkrijte najnovije u nauci, tehnologiji i prostoru sa preko 100.000 pretplatnika koji se oslanjaju na Phis.org za dnevne uvide.
Prijavite se za naš besplatni bilten i dobijajte novosti o otkrićima,
inovacije i istraživanja koja su važna – dnevno ili nedeljno.
Istraživači su otkrili da je u snimljenim ćelijama u kojima je bila prisutna Nanog RNK (što znači da je gen bio aktivan), najudaljeniji pojačivač bio lociran u neposrednoj prostornoj blizini Nanog gena. Nasuprot tome, kada je Nanog bio neaktivan, snimanje je pokazalo da je isti region pojačivača fizički udaljeniji.
Pored toga, naučnici su takođe otkrili da su se proteini uključeni u regulisanje transkripcije takođe akumulirali u oblasti oko pojačivača i promotera kada je Nanog bio aktivan.
Da bi bolje razumeli mehanizam, Ochiai i njegov tim su koristili kompjutersko modeliranje da simuliraju kako različiti delovi DNK interaguju i kreću se unutar ćelije, i kada je Nanog gen aktivan i neaktivan.
Oni su razvili svoj model koristeći podatke iz svojih eksperimenata sa slikanjem kako bi napravili „mapu“ koliko su često različiti regioni DNK međusobno delovali i kako je DNK bila presavijena u svemiru. Koristeći ovu mapu, model je zatim simulirao kako bi se lanac DNK mogao nasumično kretati.
Model je predvideo da kada je u aktivnom stanju, svaki region pojačivača interaguje više od dva puta duže sa promoterima, u poređenju sa kada je gen bio neaktivan.
Model je pokazao da su ti duži periodi interakcije nastali zbog „trenja“ oko DNK. Zbog akumulacije proteina i RNK kada je Nanog bio aktivan, tečnost je postala viskoznija i prouzrokovala je da se modelovani lanac DNK sporo kreće. Stoga je gen bio u stanju da ostane aktivan duže vremenske navale. Nasuprot tome, simulirana DNK se kretala brže kada je Nanog bio neaktivan, što znači da promoter i pojačivači nisu imali vremena za interakciju.
„Modeliranje sugeriše da je pucanje stabilizovano zbog ovih petlji za pojačanje“, zaključuje Ochiai. „Naravno, ovo je samo simulacija. Sledeći korak je da se dokaže da se ovaj mehanizam takođe javlja u ćelijama.“
