دانشمندان دقیقترین تصویر را از درون قطرات DNA ثبت کردند
این ساختارهای قطرهمانند، که «کندنسیت» نام دارند، یکی از اسرارآمیزترین بخشهای زیستشناسی مولکولی امروز محسوب میشوند و اکنون جزئیاتی از معماری درونی آنها آشکار شده است.
این تصاویر نشان میدهند که رشتههای DNA چگونه به دور پروتئینها حلقه میزنند، چگونه درون قطرهها آرایش پیدا میکنند و چطور تعامل میان این مولکولها موجب شکلگیری ساختارهایی میشود که رفتارشان با تکتک اجزایشان کاملاً متفاوت است.
دانشمندان حالا توانستهاند برای اولینبار، پل میان ساختار مولکولی و رفتارهای کلان این قطرهها درون سلول را بسازند؛ پلی که میتواند نگاه ما به بیماریها، ژنتیک و حتی تکامل سلولی را تغییر دهد.
چگونه DNA در کوچکترین فضا جا میگیرد
برای فهم اهمیت این کشف، باید از نقطه آغاز شروع کنیم. DNA به شکل یک رشتهٔ دوگانه بسیار طولانی است که برای نظم پیدا کردن، ابتدا به دور پروتئینهایی به نام «هیستون» (Histone) میپیچد و واحدهایی به نام «نوکلئوزوم» (Nucleosome) میسازد. این واحدها مانند دانههای تسبیح کنار هم قرار میگیرند و رشتهای را میسازند که «کروماتین» (Chromatin) نام دارد.
کروماتین همان ماده اصلی کروموزومهاست
سالها مشخص نبود که این ساختار چگونه به شکل فوقالعاده فشرده نهایی میرسد؛ ساختاری که هم متراکم است و هم قابل دسترس. بر اساس مقاله منتشر شده در سایت «سل» (Cell)؛ نقطه عطف این ماجرا در سال ۲۰۱۹ رقم خورد، زمانی که «مایکل روزن» (Michael Rosen) و همکارانش نشان دادند نوکلئوزومها میتوانند بدون غشاء، خودبهخود درون محلولی جمع شوند و قطرههایی بسازند که «کندنسیت» نام گرفتهاند. این رفتار نتیجه پدیدهای به نام جداشدگی فازی است؛ همان فرآیندی که باعث میشود روغن روی آب قطره تشکیل دهد. این کشف آغاز یک انقلاب کوچک در زیستشناسی بود، چون نشان داد کروماتین درون سلول ممکن است مانند مایعات چسبنده رفتار کند.
چرا شناخت ساختار درونی این قطرهها ضروری بود
کندنسیتها از صدها هزار مولکول تشکیل شدهاند که با سرعت بالا حرکت میکنند. ویژگی مهم آنها این است که رفتاری جمعی دارند؛ یعنی ویژگیهایشان فقط از کنار هم بودن مولکولها به وجود میآید و هیچ مولکول بهتنهایی چنین رفتاری ندارد.
برای درک اینکه این ساختارهای پیچیده چگونه شکل میگیرند، دانشمندان باید بتوانند رشتههای DNA و نوکلئوزومها را درون خود قطرهها ببینند. اما این کار مثل نگاه کردن به داخل ژلهای شفاف، اما تودرتو بود؛ کاری که ابزارهای قدیمی از آن ناتوان بودند.
ثبت دقیقترین تصاویر تاریخ از درون قطرههای کروماتین
به گزارش «ساینس دیلی» (Science Daily)؛ گروه روزن و همکارانش موفق شدند با استفاده از پیشرفتهترین ابزارهای تصویربرداری، تصویری با وضوح بیسابقه از درون این قطرهها تهیه کنند.
این تصاویر نشان میدهد:
DNA چگونه درون قطرهها خم میشود؛ نوکلئوزومها چه فاصلهای از هم دارند و شبکه مولکولی چگونه در مقیاس نانومتری شکل میگیرد.
برای نخستینبار، محققان توانستند نقشهای سهبعدی از درون یک کندنسیت بسازند. همین فناوری سپس برای بررسی کروماتین واقعی درون سلول نیز به کار رفت و نتایج نشان داد مدلهای مصنوعی بسیار شبیه رفتار واقعی سلول هستند.
نقش طول DNA پیونددهنده در شکلگیری ساختارها
یکی از یافتههای کلیدی این پژوهش کشف اهمیت طول DNA پیونددهنده بود. این بخشها فاصله بین دو نوکلئوزوم را تعیین میکنند. پژوهشگران دریافتند که تغییر در این طول میتواند آرایش کلی کروماتین را تغییر دهد، تعامل رشتهها را دگرگون کند و چسبندگی و فشردگی کندنسیتها را کم و زیاد کند
به زبان ساده، اگر DNA کمی کوتاهتر یا بلندتر باشد، قطرهها رفتار کاملاً متفاوتی نشان میدهند. این همان جایی است که ساختار مولکولی، رفتار کلان را تعیین میکند.
چرا برخی انواع کروماتین راحتتر قطره تشکیل میدهند
نتایج نشان داد که همه کروماتینها یکسان نیستند. بعضی از آنها بهراحتی وارد فرآیند جداشدگی فازی میشوند و قطرههایی بسیار چسبنده و پایدار میسازند، در حالی که برخی دیگر این توانایی را ندارند.
این تفاوتها توضیح میدهد که چرا بخشهایی از ژنوم فشردهترند؟ چرا برخی مناطق ژنتیکی روی هم جمع میشوند؟ و چرا بعضی اختلالات ژنتیکی در اثر تغییر رفتار قطرهسازی رخ میدهد؟
پیوند میان ساختار و رفتار قطرهها
مایکل روزن میگوید: «این پژوهش نخستین بار است که توانسته ساختار ریزمولکولی را به ویژگیهای کلان کندنسیت ربط دهد. این یافتهها دریچهای تازه برای فهم سطحی از سازماندهی سلولی باز میکند که به آن «مقیاس مزو» گفته میشود؛ جایی میان مولکول و ساختارهای بزرگ سلولی.»
به بیان روزن، آنچه کشف شده تنها «نوک کوه یخ» است و ابزارهای دقیقتر در سالهای آینده این حوزه را دگرگون خواهند کرد.
اهمیت این کشف برای زیستشناسی و پزشکی
یافتهها فقط درباره DNA و کروماتین نیستند. بسیاری از ساختارهای سلولی دیگر نیز با همین مدل قطرهسازی بدون غشاء کار میکنند. این ساختارها در وظایفی مانند تنظیم ژنها، پاسخ به استرس سلولی و سرهمبندی پروتئینها؛ نقش حیاتی دارند. اختلال در فرآیند کندنسیتسازی میتواند با بیماریهایی مانند سرطان و اختلالات عصبیتخریبی مثل آلزایمر مرتبط باشد.
در واقع، اگر بدانیم این قطرهها چطور شکل میگیرند و چطور از هم میپاشند، میتوانیم مسیرهای تازهای برای درمان بیماریها پیدا کنیم.
رفتارهای جمعی مولکولها
انسان سالها تصور میکرد فشردهسازی DNA بیشتر یک فرآیند مکانیکی است، اما اکنون میدانیم این کار حاصل رفتارهای جمعی مولکولها در ساختارهایی شبیه قطرههای بیغشاء است. تصویربرداری تازه توانست برای نخستینبار در تاریخ، معماری درونی این قطرهها را آشکار کند و نشان دهد که چگونه طول DNA، آرایش نوکلئوزومها و نوع کروماتین میتواند رفتار آنها را تغییر دهد.
این کشف تنها توضیحدهنده سازماندهی ژنومی نیست. در حقیقت، نقشهای تازه از نحوه کارکرد سلولها پیش روی دانشمندان گذاشته شده است؛ نقشهای که میتواند راه را برای فهم بهتر بیماریها و حتی ساخت درمانهای مولکولی جدید باز کند.
انتهای پیام/
