ترسیم کامل‌ترین نقشه سه‌بعدی ژنوم انسان؛ گامی مهم در درک عملکر…

نقشه‌برداری چهاربعدی از معماری ژنوم

پژوهشگران دانشگاه نورث‌وسترن با همکاری پروژه ۴D Nucleome، موفق به ترسیم کامل‌ترین نقشه‌های سازماندهی سه‌بعدی ژنوم در طول زمان و فضا شدند؛ دستاوردی که درک ما از نحوه عملکرد ژن‌ها و تأثیر شکل فیزیکی DNA بر زیست‌شناسی انسان را متحول می‌کند. نتایج این تحقیق در نشریه معتبر Nature منتشر شده است.

فنگ یو، استاد پزشکی مولکولی دانشگاه نورث‌وسترن و مدیر مرکز آنالیز مولکولی پیشرفته، هدایت این مطالعه را بر عهده داشته است. این تحقیق که بر روی سلول‌های بنیادی جنینی انسانی و فیبروبلاست‌ها انجام شد، تصویری جامع از تعامل ژن‌ها، شکل‌گیری ساختارهای پیچیده و تغییر موقعیت آن‌ها هنگام عملکرد طبیعی و تقسیم سلول‌ها ارائه می‌دهد.

درک نحوه تا شدن و بازسازمان ژنوم در سه بعد برای فهم عملکرد سلول‌ها حیاتی است. این نقشه‌ها دیدی بی‌سابقه از نحوه تاثیر ساختار ژنوم بر فعالیت ژن‌ها در فضا و زمان فراهم می‌کنند.

سازماندهی DNA و کنترل فعالیت ژن‌ها

در هسته سلول، DNA به‌صورت خطی باقی نمی‌ماند؛ بلکه به شکل حلقه‌ها و مناطق متمایز تا می‌شود و بخش‌های دور از ژنوم را به یکدیگر نزدیک می‌کند. این ساختارها فعالیت یا خاموشی ژن‌ها را کنترل می‌کنند و در فرآیندهای حیاتی زیر نقش دارند:

توسعه و رشد
تعیین هویت سلولی
بروز بیماری‌ها

مجموعه داده یکپارچه و جزئیات بی‌سابقه

یو و همکاران بین‌المللی‌اش با بهره‌گیری از تکنولوژی‌های متعدد ژنومی توانستند یک مجموعه داده یکپارچه ایجاد کنند که جزئیات زیر را شامل می‌شود:

شناسایی حلقه‌های کروماتینی: شناسایی بیش از ۱۴۰ هزار حلقه کروماتینی در هر نوع سلول و تحلیل عناصر دخیل در تنظیم ژن‌ها.
طبقه‌بندی نواحی کروموزومی: طبقه‌بندی جامع نواحی کروموزومی و موقعیت آن‌ها در هسته سلول.
مدل‌های سه‌بعدی: ارائه مدل‌های سه‌بعدی با وضوح بالا از کل ژنوم در سطح تک سلول، نشان‌دهنده جایگاه هر ژن نسبت به همسایگان و عناصر تنظیمی آن.

این نقشه‌ها نشان می‌دهند که معماری ژنوم از سلولی به سلول دیگر متفاوت است و این تفاوت‌ها با فرآیندهای حیاتی مانند رونویسی و تکثیر DNA ارتباط مستقیم دارد.

ارزیابی تکنولوژی‌ها و ابزارهای پیش‌بینی محاسباتی

از آنجا که هیچ تکنولوژی واحدی قادر به ثبت کامل ساختار چهار بعدی ژنوم نیست، پژوهشگران محدودیت‌ها و قابلیت‌های هر روش را ارزیابی کرده و نقشه راهی برای تحقیقات آینده ارائه دادند.

علاوه بر این، با توسعه ابزارهای محاسباتی، امکان پیش‌بینی نحوه تا شدن ژنوم صرفاً بر اساس توالی DNA فراهم شد. این پیشرفت، زمینه را برای بررسی اثرات واریانت‌های ژنتیکی مرتبط با بیماری‌ها، بدون نیاز به انجام آزمایش‌های پیچیده، مهیا می‌کند.

اهمیت واریانت‌های غیرکدکننده

یو توضیح داد: اکثر واریانت‌های مرتبط با بیماری‌های انسانی در نواحی غیرکدکننده ژنوم قرار دارند، بنابراین درک تأثیر این واریانت‌ها بر بیان ژن‌ها و بروز بیماری حیاتی است.

آینده پژوهش: از ساختار تا درمان

این مطالعه تأکید می‌کند که عملکرد ژنوم تنها با خواندن توالی DNA قابل درک نیست و شکل و ساختار آن نیز اهمیت کلیدی دارد. ارتباط میان تا شدن DNA، حلقه‌های کروماتینی، فعالیت ژن‌ها و رفتار سلول، گامی مهم به سوی درک جامع عملکرد ژن‌ها در داخل سلول‌های زنده است.

امید می‌رود این ابزارها بتوانند به کشف نقش تا شدن نادرست ژنوم در بیماری‌هایی مانند سرطان‌ها، اختلالات رشد و سایر بیماری‌ها کمک کنند و در آینده امکان تشخیص و درمان بر اساس ژنوم ساختاری را فراهم سازند. هدف بعدی این تیم، با توجه به تغییرات سه‌بعدی ژنوم در انواع سرطان‌ها از جمله لوکمی و تومورهای مغزی، بررسی نحوه هدف‌گیری و تنظیم دقیق این ساختارها با داروهایی مانند مهارکننده‌های اپی‌ژنتیک است.