ΕΡΕΥΝΑ ΑΠΟΚΑΛΥΠΤΕΙ ΜΕΡΟΣ ΤΗΣ ΑΠΑΝΤΗΣΗΣ ΕΝΟΣ ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΥ ΑΙΝΙΓΜΑΤΟΣ

Πώς κύτταρα με το ίδιο DNA έχουν πολύ διαφορετική λειτουργία μέσα στον οργανισμό

Αν μεγεθύναμε το ανθρώπινο γονιδίωμα κατά ένα εκατομμύριο φορές, τότε κάθε μόριο DNA (χρωμόσωμα) θα είχε πλάτος όσο ένα νουντλ και αν βάζαμε και τα 46 ανθρώπινα χρωμοσώματα το ένα δίπλα στο άλλο, το μήκος τους θα έφτανε τα 1.900 χιλιόμετρα, όμως διπλωμένα θα χωρούσαν μέσα σε ένα σπίτι (πυρήνας). Συνολικά τα 46 χρωμοσώματα περιέχουν δύο σύνολα από περίπου 20.000 γονίδια. Κάθε γονίδιο κωδικοποιεί τις οδηγίες ώστε το κύτταρο να κατασκευάσει μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη. Στην κλίμακα μεγέθυνσης ενός εκατομμυρίου, το γονίδιο έχει το μήκος ενός αυτοκινήτου.
Ενα ερώτημα που προκύπτει εύκολα σε επιστήμονες και μη είναι πώς γίνεται το γονιδίωμα - αντίθετα με τα ...νουντλς - να μην καταλήγει να κουβαριαστεί άσχημα, με αποτέλεσμα να μην μπορεί να λειτουργήσει και να δώσει τις απαραίτητες γενετικές πληροφορίες για τη λειτουργία του κυττάρου. Το 2014, μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Ερεζ Λίμπερμαν Εϊντεν του πανεπιστημίου Ράις ανακάλυψε ένα κομμάτι της απάντησης στο ερώτημα αυτό, ενισχύοντας τη συνειδητοποίηση ότι η δομή του γονιδιώματος μέσα στον πυρήνα κάθε άλλο παρά τυχαία είναι. Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι το ανθρώπινο γονιδίωμα διπλώνει έτσι που να σχηματίζει περίπου 10.000 βρόχους. Αυτοί οι βρόχοι ακολουθούν έναν απλό κώδικα, που κι αυτός είναι κρυμμένος μέσα στην ίδια την ακολουθία του γονιδιώματος. Μάλιστα, οι θηλιές αυτές αποδείχτηκε ότι είναι αρχαίες δομές. Πολλές υπάρχουν στα ποντίκια, αποδεικνύοντας ότι μοιραζόμαστε κοινή κληρονομιά από ένα αρχέγονο προγονικό είδος, που έζησε πριν από 60 εκατομμύρια χρόνια. Αυτή η επιμονή στο χρόνο των βρόχων DNA δείχνει ότι πρέπει να είναι σημαντικοί για την επιβίωση.

Ρυθμιστές

Οι βρόχοι δείχνουν να βοηθούν στον έλεγχο της δραστηριότητας των γονιδίων. Ολα τα κύτταρα ενός οργανισμού έχουν τα ίδια γονίδια, αλλά αν τα μοτίβα δραστηριότητάς τους δεν διέφεραν, τότε κανένας ανώτερος πολυκύτταρος οργανισμός δεν θα μπορούσε να υπάρξει: Ενα καρδιακό κύτταρο δεν θα διέφερε σε τίποτα από ένα εγκεφαλικό ή ένα μυικό. Οι ιστοί δεν θα μπορούσαν να διαφοροποιηθούν, για να επιτελέσουν τη λειτουργία τους, δεν θα μπορούσαν να υπάρξουν τα όργανα. Πώς αυτά τα διαφορετικά μοτίβα δραστηριότητας ενορχηστρώνονται παραμένει αίνιγμα. Οι βρόχοι φαίνεται τώρα ότι είναι ένας από τους ελεγκτές των μοτίβων, ένας μαέστρος της γενετικής ορχήστρας, που επηρεάζει το πότε συγκεκριμένα γονίδια γίνονται αρκετά ενεργά, ώστε να επηρεάζουν καθοριστικά τη λειτουργία του κυττάρου. Οι βρόχοι το πετυχαίνουν αυτό φέρνοντας το γονίδιο, που βρίσκεται στο ένα άκρο τους, κοντά σε τμήμα DNA, που ονομάζεται ενισχυτής, λόγω της αυξημένης έκφρασης του γονιδίου την οποία προκαλεί. Οταν σχηματιστεί πλήρως ο βρόχος, ο ενισχυτής καταλήγει να βρίσκεται στο άλλο άκρο της θηλιάς, δηλαδή δίπλα στο γονίδιο.
Η δουλειά των ερευνητών της ομάδας του Εϊντεν στηρίχτηκε σε προηγούμενες ανακαλύψεις πολλών άλλων επιστημόνων. Το 1993 η Κ. Κάλεν είχε εφεύρει τη μέθοδο NLA, για να σχηματίσει την τρισδιάστατη εικόνα των χρωμοσωμάτων, μέθοδο που αργότερα βελτίωσαν μαζί με τον Εϊντεν τρεις επιστήμονες του MIT. Τελικά, προχωρώντας η έρευνα παραπέρα, από το 2012 και μετά εντοπίστηκαν οι 10.000 βρόχοι στα ανθρώπινα χρωμοσώματα, αλλά και ο μηχανισμός σχηματισμού τους. Διαπιστώθηκε ότι η πρωτεΐνη CTCF, μια πρωτεΐνη που στο μόριό της περιέχει άτομα ψευδαργύρου και μπορεί να προσδένεται ισχυρά πάνω στο DNA, το κάνει μόνο σε σημεία του γενετικού μορίου, όπου υπάρχουν συγκεκριμένα μοτίβα σύνδεσης (συγκεκριμένες ακολουθίες από περίπου 20 βάσεις). Ο προσανατολισμός αυτών των μοτίβων είναι τυχαίος: 50% κοιτούν προς τη μια άκρη του DNA και 50% προς την άλλη. Ομως οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι στα σημεία αγκίστρωσης των βρόχων, τα μοτίβα σύνδεσης της CTCF έβλεπαν πάντα το ένα προς το άλλο, δηλαδή προς τη μεριά του βρόχου.

Διπλοί δακτύλιοι

Μέχρι τότε, η καθιερωμένη άποψη για τον σχηματισμό των βρόχων ήταν ότι προκύπτουν από διάχυση πάνω στο μόριο του DNA δύο πρωτεϊνών σταθεροποίησης που σχηματίζονται στα άκρα του και σταδιακά μετακινούνται πάνω του μέχρι που λόγω της φυσικής τρομώδους κίνησης του DNA να βρεθούν η μια κοντά στην άλλη και να συνδεθούν, δημιουργώντας μεταξύ τους μια θηλιά DNA. Ομως αυτή η θεωρία δεν εξηγούσε γιατί πάντα τα μοτίβα σύνδεσης CTCF είχαν αυτήν την κατεύθυνση στις άκρες της θηλιάς. Η παραπέρα μελέτη του ζητήματος οδήγησε στην ανακάλυψη ότι ο μηχανισμός σχηματισμού τους είναι ανάλογος με τον μηχανισμό που έχουν τα σακίδια πλάτης για να αλλάζουμε το μήκος των λουριών. Στην ουσία πρόκειται για δύο συνενωμένους δακτυλίους, με το λουρί να μπαίνει μέσα από τον πρώτο, να βγαίνει μέσα από τον δεύτερο και να σταματάει όταν συναντήσει κάποιο εξογκωμένο (διπλωμένο) σημείο του λουριού. Στην περίπτωση του DNA, το ρόλο του διπλού δακτυλίου παίζει η πρωτεΐνη συνεκτίνη και του εξογκώματος το μόριο CTCF που έχει προσδεθεί σε ένα μοτίβο σύνδεσης CTCF.
Αν οι θηλιές σχηματίζονταν μέσω διάχυσης, τότε θα μπορούσαν να μετατρέψουν τα μόρια DNA σε γόρδιους δεσμούς, που θα εμπόδιζαν τη λειτουργία τους, αλλά και την κυτταρική διαίρεση. Αντίθετα, ο μηχανισμός με τα μοτίβα σύνδεσης CTCF και τη συνεκτίνη δεν προκαλεί κόμπους και μπερδέματα, όπως δεν μπερδεύονται και δεν κάνουν κόμπους τα λουριά των σακιδίων πλάτης. Πειράματα κοψίματος του DNA στα μοτίβα σύνδεσης CTCF οδηγούσαν πάντα σε κατάργηση της θηλιάς, ενώ η αντιστροφή των μοτίβων οδηγούσε στην εξάλειψη της θηλιάς και την εμφάνισή της στην άλλη πλευρά, καθώς τώρα το μοτίβο αντίκριζε κάποιο άλλο μακρινό μοτίβο σύνδεσης CTCF μέσα στο DNA. Οι ερευνητές μπορούσαν πια να φτιάχνουν ή να αφαιρούν θηλιές κατά βούληση.
Καθώς οι επιστήμονες συνεχίζουν να διερευνούν τους βρόχους DNA, αναμένουν όχι μόνο να καταλάβουν καλύτερα τη ρύθμιση της λειτουργίας των γονιδίων, αλλά και να βρουν στοιχεία για το πώς εμφανίζονται ορισμένες ασθένειες ή σύνδρομα γενετικής προέλευσης. Για παράδειγμα, η τροποποίηση ενός και μόνο μοτίβου σύνδεσης CTCF στα ποντίκια έχει αποτέλεσμα να αναπτύξουν μη κανονικό αριθμό δακτύλων στα άκρα τους. Ανθρωποι που έχουν την ίδια μετάλλαξη, δεν έχουν 5 δάκτυλα. Επίσης, το σπάσιμο ορισμένων μοτίβων σύνδεσης CTCF σε ποντίκια με μορφή καρκίνου, οδήγησε σε επιβράδυνση της ανάπτυξης του όγκου κατά 40%.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»