Otkrivene petlje u genomima stanica koje se dijele

Prije nego što se stanice mogu podijeliti, prvo moraju replicirati sve svoje kromosome, tako da svaka od stanica kćeri može primiti puni set genetskog materijala. Do sada su znanstvenici vjerovali da s diobom genom gubi prepoznatljivu 3D unutarnju strukturu koju obično formira.

Smatralo se da nakon što je dioba završena, genom postupno ponovno dobiva tu složenu, globularnu strukturu koja igra bitnu ulogu u kontroli toga koji su geni aktivirani u određenoj stanici.

Međutim, nova studija američkog tehnološkog instituta MIT, pokazuje da ta slika zapravo nije u potpunosti točna. Koristeći tehniku ​​mapiranja genoma veće rezolucije, istraživački tim otkrio je da male 3D petlje koje povezuju regulatorne elemente i gene ostaju u genomu tijekom stanične diobe ili mitoze.

„Ova studija zaista pomaže razjasniti kako bismo trebali razmišljati o mitozi. U prošlosti se mitoza smatrala praznom pločom, bez transkripcije i bez strukture povezane s aktivnošću gena. A sada znamo da to nije sasvim slučaj“, kaže Anders Sejr Hansen, izvanredni profesor biološkog inženjerstva na MIT-u. „Ono što vidimo jest da uvijek postoji struktura. Nikada ne nestaje.“

Istraživači su također otkrili da se te regulatorne petlje jačaju kada kromosomi postanu kompaktniji u pripremi za diobu stanica. Ovo zbijanje zbližava genetske regulatorne elemente i potiče ih da se drže zajedno. To može pomoći stanicama da "zapamte" interakcije prisutne u jednom staničnom ciklusu i prenesu ih u sljedeći.

Istraživači su 2023. godine uspjeli identificirati novu vrstu strukture genoma koja prije nije viđena, a koju su nazvali "mikrokompartmenti". To su sitne, visoko povezane petlje koje nastaju kada se pojačivači i promotori smješteni blizu jedan drugoga zalijepe zajedno.

U tom radu, eksperimenti su otkrili da te petlje nisu formirane istim mehanizmima koji formiraju druge strukture genoma, ali istraživači nisu mogli točno utvrditi kako se formiraju. U nadi da će odgovoriti na to pitanje, tim je krenuo proučavati stanice dok prolaze kroz staničnu diobu. Tijekom mitoze, kromosomi postaju mnogo kompaktniji, tako da se mogu duplicirati, sortirati i podijeliti između dvije stanice kćeri. Kako se to događa, veće strukture genoma nazvane A/B odjeljci i topološki asocijativne domene (TAD) potpuno nestaju.

„Tijekom mitoze smatralo se da je gotovo sva transkripcija gena isključena. A prije našeg rada također se smatralo da je sva 3D struktura povezana s regulacijom gena izgubljena i zamijenjena kompakcijom. To je potpuno resetiranje svakog staničnog ciklusa“, kaže Hansen.

Međutim, na njihovo iznenađenje, istraživači su otkrili da se mikrokompartmenti još uvijek mogu vidjeti tijekom mitoze, te da zapravo postaju istaknutiji kako stanica prolazi kroz staničnu diobu.

Koristeći svoju tehniku, istraživači su također potvrdili da veće strukture poput A/B odjeljaka i TAD-ova nestaju tijekom mitoze, kao što je već viđeno.

Istraživači kažu da bi otkrića mogla ponuditi objašnjenje za skok u transkripciji gena koji se obično javlja pri kraju mitoze. Od 1960-ih smatralo se da transkripcija potpuno prestaje tijekom mitoze, ali 2016. i 2017. nekoliko je studija pokazalo da stanice prolaze kroz kratki skok transkripcije, koji se brzo potiskuje sve dok stanica ne završi s dijeljenjem.

U svojoj novoj studiji, MIT-ov tim je otkrio da se tijekom mitoze mikrokompartmenti češće nalaze u blizini gena koji se šire tijekom stanične diobe. Također su otkrili da se te petlje, čini se, formiraju kao rezultat zbijanja genoma koje se događa tijekom mitoze. Ovo zbijanje približava pojačivače i promotore, omogućujući im da se drže zajedno i formiraju mikrokompartmente.

Nakon što se formiraju, petlje koje čine mikrokompartmente mogu donekle slučajno aktivirati transkripciju gena, koju stanica zatim isključuje. Kada stanica završi s dijeljenjem, ulazeći u stanje poznato kao G1, mnoge od tih malih petlji postaju slabije ili nestaju.

Budući da na zbijenost kromosoma mogu utjecati i veličina i oblik stanice, istraživači sada istražuju kako varijacije u tim značajkama utječu na strukturu genoma i time na regulaciju gena.

Rad objavljen u časopisu Nature Structural&Molecular Biology možete pronaći na ovoj poveznici.