محققان نحوه تا شدن و کارکرد ژن‌ها را ثبت می‌کنند

به گزارش گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا به نقل از وبگاه (سای تک دیلی)، یک تکنیک تصویربرداری جدید، معماری سه بعدی ژنوم انسان را با جزئیات بی سابقه‌ای به تصویر می‌کشد و نشان می‌دهد که چگونه ژن‌های منفرد در سطح نوکلئوزوم‌ها تا می‌شوند، واحد‌های اساسی که معماری سه بعدی ژنوم را تشکیل می‌دهند.

این فناوری که توسط محققان مستقر در بارسلون در مرکز تنظیم مقررات ژنومی (CRG) و موسسه تحقیقات زیست پزشکی (IRB Barcelona) ایجاد شده است، میکروسکوپ با وضوح بالا را با مدل‌سازی کامپیوتری پیچیده ترکیب می‌کند. این جامع‌ترین تکنیک تا به امروز برای مطالعه شکل ژن‌ها است.

این تکنیک جدید به محققان اجازه می‌دهد تا مدل‌های سه بعدی ژن‌ها را ایجاد و به صورت دیجیتالی هدایت کنند و نه تنها معماری آن‌ها را ببینند، بلکه اطلاعاتی درباره نحوه حرکت یا انعطاف‌پذیری آن‌ها نیز مشاهده کنند. درک نحوه عملکرد ژن‌ها می‌تواند به ما کمک کند تا درک بهتری از نحوه تأثیر آن‌ها بر بدن انسان در سلامت و بیماری داشته باشیم، زیرا تقریباً هر بیماری انسانی دارای پایه‌های ژنتیکی است.

مقایسه با استفاده از یک میکروسکوپ معمولی (سمت چپ) برای تجسم ساختار ژن NANOG، که به صورت یک لکه سبز روشن در مقابل استفاده از MiOS (سمت راست) که می‌تواند ژن‌های جداگانه را تصویر کند، نشان داده می‌شود. MiOS تقریباً ده برابر وضوح بهتری دارد و همچنین جنبه‌های مهم ساختار را که با استفاده از روش‌های مرسوم قابل تشخیص نیستند، جزئیات می‌دهد.

دانشمندان در نهایت قادر خواهند بود از این دانش برای پیش‌بینی اینکه چه اتفاقی برای ژن‌ها می‌افتد، در صورت اشتباه کردن، مانند فهرست‌بندی تفاوت‌ها در ساختار ژن‌هایی که باعث بیماری می‌شوند، استفاده کنند. این روش ممکن است به طور بالقوه برای آزمایش دارو‌هایی استفاده شود که شکل یک ژن نابجا را تغییر می‌دهند و به توسعه درمان‌های جدید برای بیماری‌های مختلف کمک می‌کنند.

این فناوری تکامل بعدی تکنیک‌های تصویربرداری است که برای مطالعه موجودات زنده مورد استفاده قرار می‌گیرد که برای اولین بار بیش از چهارصد سال پیش با ایجاد میکروسکوپ شروع شد. این‌ها نقش مهمی در پیشرفت پزشکی و سلامت انسان ایفا کردند، به عنوان مثال، رابرت هوک برای اولین بار برای توصیف سلول‌ها استفاده کرد و بعداً توسط سانتیاگو رامون و کاخال برای شناسایی نورون‌ها استفاده شد. علیرغم پیشرفت‌های بزرگ، محدودیت‌های میکروسکوپ‌های نوری تا سال ۱۸۷۳ مشخص بود، و محققان تصریح کردند که حداکثر وضوح آن‌ها نمی‌تواند از ۰.۲ میکرومتر فراتر رود.

این محدودیت فیزیکی در قرن بیست و یکم با ایجاد میکروسکوپ با وضوح فوق العاده برطرف شد، پیشرفتی که در سال ۲۰۱۴ جایزه نوبل شیمی را دریافت کرد. محققان با استفاده از فلورسانس محدودیت‌های میکروسکوپ نوری را گسترش دادند و وقایع را در ۲۰ نانومتر ثبت کردند که یک شاهکار بود؛ که نشان داد زندگی در مقیاس مولکولی بی سابقه چگونه کار می‌کند.

نمونه‌ای از مدل MiOS که نشان می‌دهد چگونه یک ژن به صورت سه بعدی تا می‌شود. این نشان می‌دهد که چگونه مناطق خاصی متراکم شده اند و برخی دیگر کشیده شده و در دسترس‌تر هستند.

میکروسکوپ با وضوح فوق العاده مسیر تحقیقات زیست پزشکی را تغییر داد و دانشمندان را قادر ساخت تا پروتئین‌ها را در انواع بیماری‌ها ردیابی کنند. همچنین محققان را قادر می‌سازد تا رویداد‌های مولکولی را که بیان ژن را تنظیم می‌کنند، مطالعه کنند. اکنون دانشمندان می‌خواهند از این فناوری استفاده کنند و با افزودن لایه‌های اطلاعات بیشتر، آن را یک قدم جلوتر ببرند.

محققان فرض کردند که گرفتن میکروسکوپ با وضوح فوق العاده و ادغام آن با ابزار‌های محاسباتی پیشرفته می‌تواند راهی برای تصویربرداری از ژن‌ها در سطح جزئیات لازم برای مطالعه شکل و عملکرد آن‌ها باشد. یک تیم بین رشته‌ای از دانشمندان تخصص خود را به اشتراک گذاشتند و تکنیک جدیدی به نام Modeling immuno-OligoSTORM - یا به اختصار MiOS ایجاد کردند.

این دو گروه تحقیقاتی به عنوان بخشی از فراخوان Ignite انستیتوی علم و فناوری بارسلونا (BIST) که تبادل دانش را در میان زمینه‌های مختلف علمی تسهیل می‌کند و رویکرد‌های جدیدی را برای رسیدگی به سؤالات پیچیده بررسی می‌کند، تشکیل دادند.

استراتژی مدل‌سازی محاسباتی ما داده‌های حاصل از تکنیک‌های توالی‌یابی DNA و میکروسکوپ با وضوح فوق‌العاده را ادغام می‌کند تا یک تصویر (یا فیلم) اساسی از شکل سه‌بعدی ژن‌ها در وضوح‌های فراتر از اندازه نوکلئوزوم‌ها ارائه کند، و به مقیاس‌های مورد نیاز برای درک جزئیات تعامل بین کروماتین و سایر فاکتور‌های سلولی.

به‌عنوان اثبات مفهوم، تیم تحقیقاتی از MiOS برای ارائه بینش‌های جدیدی در مورد موقعیت، شکل و تراکم ژن‌های کلیدی خانه‌داری و پرتوانی استفاده کرد و ساختار‌ها و جزئیات جدیدی را آشکار کرد که تنها با استفاده از تکنیک‌های مرسوم ثبت نمی‌شوند. این یافته‌ها در مجله Nature Structural & Molecular Biology منتشر شده است.

ما نشان می‌دهیم که MiOS جزئیات بی‌سابقه‌ای را با کمک به محققان در جهت‌یابی مجازی درون ژن‌ها ارائه می‌کند و نشان می‌دهد که چگونه آن‌ها در مقیاسی کاملاً جدید سازماندهی شده‌اند.

دکتر ویکی نگومبور، اولین نویسنده و همچنین یکی از نویسندگان مقاله، می‌گوید: این مانند ارتقاء از تلسکوپ فضایی هابل به جیمز وب است، اما به جای دیدن ستارگان دوردست، دورترین نقاط درون هسته انسان را کاوش خواهیم کرد. 

در حالی که بسیاری از تحقیقات مبتنی بر ژنوم در حال تغییر نحوه تشخیص، درمان یا پیشگیری از بیماری‌ها هستند، تأثیر MiOS طولانی‌مدت‌تر است. این تکنیک با روشن کردن چگونگی عملکرد ژن‌ها و نحوه تنظیم آن‌ها در مقیاس نانو، اکتشافات جدیدی را در آزمایشگاه علمی امکان‌پذیر می‌سازد که برخی از آن‌ها ممکن است در نهایت به عمل بالینی تبدیل شوند.

تیم تحقیقاتی در حال حاضر MiOS را با کاوش در ژن‌هایی که برای توسعه انسانی مهم هستند، مورد استفاده قرار می‌دهند. این تیم همچنین به توسعه MiOS ادامه خواهد داد و قابلیت‌های بیشتری را اضافه می‌کند که به عنوان مثال می‌تواند نحوه اتصال عوامل رونویسی - پروتئین‌های دخیل در فرآیند تبدیل یا رونویسی، DNA به RNA را به DNA شناسایی کند.