Jak silniki molekularne nadają strukturę chromosomom
Około 150 lat temu Walther Flemming prowadził badania dotyczące zmian chromosomalnych podczas podziału komórki. Jednak mimo że od tamtej pory poczyniono wiele postępów, naukowcy dopiero niedawno odkryli główne elementy odpowiedzialne za sposób organizacji chromosomów w jądrze. „Chromosomy zasadniczo mają postać pętli DNA, a w procesie ich tworzenia uczestniczą białka w kształcie pierścienia, znane jako kompleksy odpowiedzialne za strukturalne utrzymanie chromosomów (ang. structural maintenance of chromosomes, SMC)”, mówi Cees Dekker(odnośnik otworzy się w nowym oknie), profesor fizyki holenderskiego Uniwersytetu Technicznego w Delft(odnośnik otworzy się w nowym oknie) i główny badacz projektu LoopingDNA. „Jednak dokładne mechanizmy tworzenia i kontrolowania tych pętli pozostają tajemnicą”. Dekker stoi na czele laboratorium, w którym w 2018 roku odkryto, że SMC o nazwie „kondensyna” działa jak silnik molekularny(odnośnik otworzy się w nowym oknie) zapętlający DNA, nadając chromosomom ich strukturę. Obecnie w ramach projektu LoopingDNA prowadzone są badania pojedynczych cząsteczek mające na celu poznanie większej ilości szczegółów na temat zaangażowanych mechanizmów, a także analizy wpływu struktury chromosomów na ich biologię.
Nowo odkryta klasa silników DNA
Wspierany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (ERBN), zespół projektu LoopingDNA wykorzystał poklatkowe obrazowanie pojedynczych cząsteczek, aby śledzić przebieg procesu zapętlania DNA z udziałem kondensyny. „Umieściliśmy kawałek DNA na szkiełku, następnie zobrazowaliśmy go i zobaczyliśmy stopniowo pojawiającą się pętlę, w miarę jak SMC przyczepiały się do DNA”, wyjaśnia Dekker. „Dalsze eksperymenty pozwoliły nam zaobserwować wiele dodatkowych cech, takich jak asymetria pętli i zmiany kierunku”. Ponadto zespół odkrył nowy kształt pętli, zwany pętlą z(odnośnik otworzy się w nowym oknie), powstający, gdy dwa kompleksy kondensyny formujące pętlę spotykają się i mijają, co rzuca światło na sposób, w jaki DNA jest organizowane w ściśle zagęszczoną strukturę. Udało się również stwierdzić, że zwijanie pętli w procesie tzw. ekstruzji (ang. loop extrusion) jest ściśle związane z „superzwijaniem” DNA, które zwiększa liczbę skrętów w nici DNA. „Odkryliśmy, że SMC nie tylko zwijają DNA, ale także dodają skręt przy każdej ekstruzji, co sugeruje, że superzwijanie DNA jest regulowane na poziomie genomu”, dodaje Dekker.
Mechanizmy odpowiedzialne za zwijanie DNA w pętle
W ramach projektu dokonano też innych fascynujących odkryć. Komórkowe DNA jest pokryte białkami wiążącymi DNA, takimi jak nukleosomy lub polimeraza RNA, które teoretycznie mogłyby utrudniać ekstruzję. Ku wielkiemu zdziwieniu zespołu okazało się, że tak nie jest, ponieważ białka SMC są w stanie włączyć praktycznie każdy obiekt do swojej pętli DNA. Jest to znaczące odkrycie, ponieważ białka na DNA mogą mieć rozmiar nawet kilkudziesięciu nanometrów, a SMC w kształcie pierścienia osiągają wielkość około 30 nanometrów średnicy. Dekker zdołał ustalić, że pierścień może pomieścić nawet związane z DNA cząsteczki złota o wielkości 200 nanometrów, które są większe niż sam pierścień SMC. „Doszliśmy do wniosku, że przeciwnie do tego, co wcześniej zakładaliśmy, DNA nie jest topologicznie ograniczone w ramach pierścienia kompleksu SMC”, mówi Dekker. „Obecnie stworzyliśmy model, w którym wiązanie z trifosforanem adenozyny zmienia kształt i wielkość SMC, co przybliża nas do zrozumienia silnika napędzającego proces powstawania pętli DNA”.
Wgląd w zaburzenia genetyczne
Ponadto naukowcy postawili przed sobą ambitne zadanie zbudowania chromosomu od podstaw. Jako punkt wyjścia uczeni zastosowali czyste DNA (genom bakterii Escherichia coli pozbawiony białek), a następnie dodawali kompleksy białkowe i inne białka przetwarzające DNA, aby zbadać rolę i znaczenie różnych elementów organizujących DNA. Wprawdzie udało im się stworzyć podstawową wersję, jednak ekstremalna wrażliwość DNA sprawiła, że pełna wersja wykraczała poza możliwości i zasoby członków projektu. „Jeśli uda nam się pokonać przeszkody techniczne, nasz »genom w pudełku« może pewnego dnia zaowocować stworzeniem zestawu narzędzi na potrzeby doświadczeń, które pozwolą odkryć, w jaki sposób struktura chromosomów reguluje ekspresję genów, dostarczając wiedzy na temat zaburzeń genetycznych”, wyjaśnia Dekker. Wiadomo, że kondensyna jest niezbędna dla zdrowego rozwoju zarodkowego, w związku z czym Dekker w ramach nowego konsorcjum ubiega się obecnie o dotację ERBN w zakresie synergii, aby kontynuować swoje badania w tym obszarze. Szczególnie interesujące jest to, w jaki sposób zwijanie pętli DNA umożliwia tak zwanym wzmacniaczom transkrypcji zbliżanie się do promotorów kluczowych genów, zwiększając ich ekspresję.
