کشف جدید MIT: ساختار سه‌بعدی DNA در تقسیم سلولی حفظ می‌شود

پیش از تقسیم یک سلول به دو سلول دختری، کپی‌برداری کامل از تمامی کروموزوم‌ها ضروری است تا هر سلول جدید، مجموعه‌ای بی‌نقص از دستورالعمل‌های ژنتیکی را دریافت کند. برای سال‌ها، دانشمندان بر این باور بودند که در طول این فرآیند حیاتی، سازمان‌دهی سه‌بعدی DNA به طور موقت از بین می‌رود و پس از اتمام تقسیم سلولی، به تدریج بازسازی می‌شود. این ساختار پیچیده، نقشی اساسی در فعال یا غیرفعال بودن ژن‌ها ایفا می‌کند.

اما اکنون، نتایج یک مطالعه پیشگامانه از پژوهشگران موسسه فناوری ماساچوست (MIT)، این دیدگاه رایج را به چالش کشیده است. آنها با بهره‌گیری از روشی فوق‌العاده دقیق برای نقشه‌برداری ژنوم، به کشفی حیرت‌انگیز دست یافتند: حلقه‌های سه‌بعدی کوچکی که ژن‌ها را به عناصر تنظیمی‌شان متصل می‌کنند، حتی در طول میتوز (تقسیم سلولی) نیز حفظ می‌شوند. این یافته، نشان‌دهنده آن است که ژنوم در حین تقسیم سلولی کاملاً بدون ساختار نیست و نوعی «حافظه ساختاری» را در خود نگه می‌دارد.

تقویت حلقه‌های DNA در زمان فشرده‌سازی کروموزوم‌ها

پژوهشگران در این مطالعه، مشاهده کردند که این حلقه‌های تنظیمی، هنگام فشرده شدن کروموزوم‌ها پیش از تقسیم سلولی، نه تنها از بین نمی‌روند، بلکه برجسته‌تر و قوی‌تر نیز می‌شوند. با متراکم‌تر شدن DNA، عناصر تنظیمی به یکدیگر نزدیک‌تر شده و امکان اتصال آنها به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد. به گفته محققان، این فرآیند می‌تواند به انتقال تعاملات ژنی مهم از یک چرخه تقسیم به چرخه بعدی کمک شایانی کند و ارتباط پیچیده میان ساختار ژنوم و عملکرد آن را در تنظیم روشن و خاموش شدن ژن‌ها، به وضوح روشن‌تر سازد.

این پژوهش ارزشمند، با سرپرستی آندرس سیر هانسن و ادوارد بنیگان از MIT انجام شده و نتایج آن در نشریه معتبر Nature Structural and Molecular Biology به چاپ رسیده است.

نقشه‌برداری سه‌بعدی از ژنوم: از Hi-C تا فناوری‌های دقیق‌تر

در دو دهه گذشته، دانشمندان دریافته‌اند که DNA در هسته سلول، به طور طبیعی به شکل شبکه‌ای از حلقه‌های سه‌بعدی تا می‌شود. برخی از این حلقه‌ها، امکان تعامل ژن‌ها با نواحی تنظیمی دوردست را فراهم می‌کنند، در حالی که برخی دیگر به فشرده‌سازی کروموزوم‌ها در زمان تقسیم کمک می‌کنند.

بخش عمده‌ای از این مطالعات، با استفاده از روشی به نام Hi-C انجام شده است. این روش، قطعات نزدیک به هم در فضای سه‌بعدی هسته را به صورت شیمیایی به هم متصل کرده و سپس توالی‌یابی می‌کند. با وجود کاربرد گسترده این روش، دقت کافی برای شناسایی بسیاری از تعاملات دقیق میان ژن‌ها و عناصر تنظیمی مانند اِنهنسرها (توالی‌های کوتاهی از DNA که با اتصال به پروموترها، رونویسی ژن را فعال می‌کنند) را ندارد.

فناوری جدید و کشف میکروکامپارتمان‌ها

در سال ۲۰۲۳، تیم هانسن روش جدیدی به نام Region-Capture Micro-C (RC-MC) را معرفی کرد که امکان بررسی معماری ژنوم را با وضوح بسیار بالاتر فراهم می‌کند. این فناوری پیشرفته، با برش یکنواخت DNA و تمرکز بر نواحی خاص ژنوم، نقشه‌ای سه‌بعدی و فوق‌العاده دقیق ارائه می‌دهد.

با استفاده از این روش نوین، پژوهشگران نوعی سازمان‌دهی ناشناخته از ژنوم را کشف کردند که «میکروکامپارتمان» نام گرفت؛ حلقه‌های کوچک و فشرده‌ای که در اثر اتصال نزدیک اِنهنسرها و پروموترها شکل می‌گیرند. در حالی که ساختارهای بزرگ‌تر ژنومی مانند TADها و کمپارتمان‌های A/B در زمان میتوز از بین می‌روند، نتایج جدید نشان داد که این میکروکامپارتمان‌ها نه تنها باقی می‌مانند، بلکه در طول تقسیم سلولی تقویت نیز می‌شوند.

افزایش موقت فعالیت ژنی در زمان تقسیم

این یافته‌های جدید، همچنین می‌تواند توضیحی برای افزایش کوتاه‌مدت فعالیت ژنی در اواخر میتوز باشد؛ پدیده‌ای که پیش‌تر مشاهده شده بود، اما دلیل آن مشخص نبود. بررسی‌ها نشان داد که بسیاری از میکروکامپارتمان‌ها در نزدیکی ژن‌هایی قرار دارند که در این مرحله، افزایش موقتی در رونویسی را تجربه می‌کنند. فشرده شدن کروموزوم‌ها، باعث نزدیک‌تر شدن عناصر تنظیمی و شکل‌گیری این حلقه‌ها می‌شود و ممکن است به طور ناخواسته فعالیت ژنی را تحریک کند؛ فعالیتی که سلول به سرعت پس از پایان تقسیم آن را مهار می‌کند.

پرسش‌های جدید درباره کنترل ژنوم

پژوهشگران اکنون در حال بررسی این موضوع هستند که چگونه تغییر اندازه و شکل سلول می‌تواند بر سازمان‌دهی سه‌بعدی ژنوم و تنظیم ژن‌ها تأثیر بگذارد. یکی از پرسش‌های کلیدی این است که سلول چگونه تصمیم می‌گیرد کدام میکروکامپارتمان‌ها پس از ورود به مرحله G۱ حفظ شوند و کدام حذف شوند تا دقت بیان ژن‌ها حفظ شود.

این مطالعه، دیدگاه تازه‌ای درباره نحوه حفظ ساختار و عملکرد ژنوم در طول تقسیم سلولی ارائه می‌دهد و نشان می‌دهد که حتی در یکی از پویاترین مراحل چرخه حیات سلول نیز، سازمان‌دهی سه‌بعدی DNA به طور کامل از بین نمی‌رود.