Balra: A DNS-szerveződés klasszikus elméletét képviselő mag 3D-s illusztrációja a középpontjában. Jobbra: A ramen tál fejére forgatása – Egy gyümölcslégy lárva izomsejtjének magjának mikroszkópos képe. A hosszú DNS-láncok (piros) a nukleáris lemezhez (zöld) kapcsolódnak - a nukleáris membrán belső rétegéhez. Köszönetnyilvánítás: Weizmann Tudományos Intézet
A Nucleus peremén
Ha kinyitsz egy biológia tankönyvet és végigfutod a képeket ábrázolva, hogyan DNS a sejtmagban szerveződik, valószínű, hogy éhes lesz; a DNS láncai egy tál ramennek tűnnek: hosszú húrok lebegnek a folyadékban. Két új tanulmány szerint azonban – az egyik kísérleti[1] a másik pedig elméleti[2] – ezek Prof. Talila Volk, a Molekuláris Genetikai Tanszék és Prof. Sam Safran, a Weizmann Tudományos Intézet Kémiai és Biológiai Fizikai Tanszékének csoportjai közötti együttműködés eredménye, ezt a képet érdemes átgondolni. Ennek tisztázása elengedhetetlen, mivel a DNS térbeli elrendezése a sejtmagban befolyásolhatja a DNS-molekulában lévő gének expresszióját, és ezáltal a sejtben található fehérjéket.
Ez a történet akkor kezdődött, amikor Volk azt tanulmányozta, hogy a mechanikai erők hogyan befolyásolják a sejtmagokat az izomzatban, és bizonyítékot talált arra, hogy az izomösszehúzódások azonnali hatást gyakorolnak a génexpressziós mintázatokra. "Ezt nem tudtuk tovább vizsgálni, mert a meglévő módszerek kémiailag megőrzött sejtek képalkotásán alapultak, így nem sikerült megragadniuk, mi történik egy ténylegesen működő izom sejtmagjában" - mondja.
(Balról jobbra) Prof. Talila Volk, Prof. Sam Safran, Dr. Dana Lorber, Dr. Daria Amiad-Pavlov és Dr. Adriana Reuveny. Távolodás a központtól. Köszönetnyilvánítás: Weizmann Tudományos Intézet
A probléma megoldása érdekében Dr. Dana Lorber, a Volk csoportjának kutatója egy olyan eszköz tervezését vezette, amely lehetővé teszi élő gyümölcslégylárvák izommagjainak tanulmányozását. Az eszköz egy horonyban tartja az apró, áttetsző lárvát, amely lehetővé teszi az izmok összehúzódását és ellazulását, de mozgását korlátozva tartja, hogy fluoreszcens mikroszkóppal lehessen pásztázni. Az eszköz segítségével a kutatók képeket készítettek a DNS és fehérjéi (kromatin néven ismert) belső, lineárisan szerveződő komplexeiről, amelyeket az izommagok membránja vesz körül.
Lorber és Dr. Daria Amiad-Pavlov, aki Volk csoportjának posztdoktori munkatársa egy tál ramennel várta a meglepetést. Ahelyett, hogy a mag teljes térfogatát kitöltenék, a „tészta” vagy hosszú kromatinmolekulák viszonylag vékony rétegként szerveződtek, a belső falaihoz tapadva. Hasonlóan az olaj és víz közötti kölcsönhatás, az úgynevezett „fázisszétválasztás” kimeneteléhez, a kromatin elvált a mag belsejében lévő folyadék nagy részétől, és annak szélén találta meg a helyét, miközben a folyékony közeg nagy része megmaradt. a központban. A kutatók rájöttek, hogy egy alapvető biológiai kérdés megválaszolása felé haladnak, vagyis hogyan szerveződik a kromatin, és ezáltal a DNS az élő szervezet sejtmagjában. „A megállapítások azonban annyira váratlanok voltak, hogy meg kellett győződnünk arról, hogy nem csúszott be hiba, és hogy ez a szervezet univerzális” – mondja Lorber.
A meglepő eredmények egy alapvető biológiai kérdésre irányulnak: hogyan szerveződik a DNS egy élő szervezet sejtmagjában.
Miután összeálltak Safran csoportjával, arra a következtetésre jutottak, hogy nem történt hiba. Safran és Dr. Gaurav Bajpai posztdoktori felépített egy elméleti modellt, amely magában foglalta a kromatin magban való szerveződését szabályozó fizikai tényezőket, mint például a kromatin és folyékony környezete, valamint a kromatin és a magmembrán közötti relatív vonzási erőket. A modell azt jósolta, hogy a kromatinnak el kell válnia a folyékony fázistól, a magban lévő folyadék relatív mennyiségétől (hidratációjától) függően. Ezen túlmenően a fáziskülönbségű kromatin a magmembrán belsejében rendeződhetett el – ahogy Volk csapata is megállapította kísérletei során.
Dr. Bajpai Gaurav. Köszönetnyilvánítás: Weizmann Tudományos Intézet
A csoportok azt is megmagyarázták, hogy más tudósok korábbi tanulmányaiban miért tűnt úgy, hogy a kromatin kitölti a sejtmagokat. „Amikor a tudósok sejteket helyeznek egy tárgylemezre, hogy mikroszkóp alatt tanulmányozzák azokat, megváltoztatják térfogatukat és fizikailag lelapítják őket. Ez megzavarhatja a kromatin elrendezését szabályozó erőket, és csökkentheti a mag felső része és az alapja közötti távolságot” – magyarázza Safran.
Annak érdekében, hogy ezek az eredmények ne korlátozódjanak a gyümölcslégy izomsejtekre, Lorber és Amiad-Pavlov egyesítette erőit Dr. Francesco Roncatoval, az immunológiai osztály professzor Ronen Alon csoportjából, és élő emberi fehérvérsejteket vizsgáltak. A kromatin ebben az esetben is hasonlóan a mag belső falát bélelő rétegként szerveződött. "Ez azt mutatta, hogy amit találtunk, az valószínűleg általános jelenség, és hogy ez a kromatin szervezet valószínűleg az evolúció során konzervált" - mondja Amiad-Pavlov.
A 3D kromatin szimulációk azt mutatják, hogy a kromatin szerveződése a sejtmagban a kromatin és a nukleáris lamina közötti fizikai kölcsönhatástól függ. Amikor ezek a kölcsönhatások gyengülnek (balról jobbra) – mint az izomdisztrófiáktól a neurológiai rendellenességekig terjedő számos betegség esetében – a kromatin a mag perifériájáról a központjába tolódik. Köszönetnyilvánítás: Weizmann Tudományos Intézet
A tanulmány új utakat nyit meg a DNS sejten belüli szerveződésének kutatásában, és kiterjesztve a sejtmagra és a kromatinra ható fizikai erőkre, amelyek befolyásolhatják a génexpressziót. Az egyik lehetséges irány annak feltárása, hogy van-e különbség az egészség és a betegség DNS szerveződése között. Ha igen, ez a különbség például a diagnosztikában hasznosítható a rákos sejtek kimutatásának új paramétereként. Az embrionális fejlődés tanulmányozása során a DNS szerveződésének feltárása segíthet annak tisztázásában, hogy a mechanikai erők befolyásolják-e a sejtek új sorsúvá történő differenciálódását. Végül köztudott, hogy a sejteket tartalmazó felület merevsége megváltoztathatja génjeik expresszióját. Az új tanulmány azt sugallja, hogy ennek köze lehet a felszínnek a nukleáris membránra ható nyomásához és húzásához, valamint az ebből eredő, a magon belüli DNS-szervezetre gyakorolt hatáshoz. Ennek a kölcsönhatásnak a jobb megértése segíthet a génexpresszió szabályozásában olyan sejtekben, amelyeket a kívánt tulajdonságokkal rendelkező szövetek tervezésére használnak.
Úgy gondolták, hogy a DNS és kromatin csomagolása a magtérfogat 60%-át kitölti. A Weizmann Intézet tudósai tanulmányukban azt találták, hogy ez 31%.
Referenciák:
Daria Amiad-Pavlov, Dana Lorber, Gaurav Bajpai, Adriana Reuveny, Francesco Roncato, Ronen Alon, Samuel Safran és Talila Volk, „A kromatineloszlás élő képalkotása a nukleáris architektúra és a kromatin kompartmentalizálásának új elveit tárja fel”, 2. június 2021. Tudomány előlegek.
DOI: 10.1126 / sciadv.abf6251
Gaurav Bajpai, Daria Amiad Pavlov, Dana Lorber, Talila Volk és Samuel Safran „A kromatin mezoskálás fázisszétválasztása a sejtmagban”, 4. május 2021. eLife.
DOI: 10.7554/eLife.63976
A kísérleti vizsgálatban részt vett Dr. Adriana Reuveny is, Prof. Talila Volk csoportjától a Molekuláris Genetikai Tanszéken.
Prof. Talila Volk a Sir Ernst B. Chain professzori szék hivatalban lévő tagja.
Volk professzor kutatásait az Aharon Katzir-Katchalsky Központ támogatja; a Benoziyo Alapítvány a Tudományfejlesztésért; és a Henry Chanoch Krenter Institute for Biomedical Imaging and Genomics.
Prof. Samuel Safran a Fern & Manfred Steinfeld professzori szék hivatalban lévő tagja.
Prof. Safran kutatásait a Henry Chanoch Krenter Institute for Biomedical Imaging and Genomics támogatja; és a Harold Perlman család
