Naukowcy wykorzystali kropelki aktywowane światłem do zmiany położenia DNAoferując nowy wgląd w ekspresję genów i leczenie chorób.
W mgnieniu oka badacze odkryli metodę przekształcania tkanki życia poprzez składanie nici DNA z powrotem, aby odsłonić materialną naturę genomu.
Naukowcy od dawna debatują nad fizyczną naturą chromosomów – struktur znajdujących się głęboko w komórkach, składających się z długich nici DNA ciasno owiniętych wokół milionów białek. Czy zachowują się bardziej jak ciecz, ciało stałe, czy coś pomiędzy?
Od odpowiedzi zależy znaczny postęp w zrozumieniu i leczeniu chorób.
Zespół z Princeton opracował obecnie sposób badania chromosomów i ilościowego określania ich właściwości mechanicznych: ile siły potrzeba do przemieszczenia części chromosomu i jak dobrze wracają one do swojej pierwotnej pozycji. Według ich ustaleń odpowiedź na kwestię materialną jest taka, że pod pewnymi względami chromosom zachowuje się jak materiał elastyczny, a pod innymi – jak płyn. Wykorzystując tę wiedzę w najdrobniejszych szczegółach, zespół był w stanie fizycznie manipulować DNA w nowy i precyzyjnie kontrolowany sposób.
Wyniki swoich badań opublikowali w czasopiśmie Komórka 20 sierpnia.
„To, co się tutaj dzieje, jest naprawdę niewiarygodne” – powiedział Cliff Brangwynne, profesor inżynierii chemicznej i biologicznej K. Wu z czerwca 1992 r., dyrektor Instytutu Bioinżynierii Omenn-Darling Bioengineering w Princeton i główny badacz badania. „Zasadniczo zamieniliśmy kropelki w małe palce, które szarpią struny genomowe w żywych komórkach”.
Klucz do nowej metody leży w zdolności badaczy do generowania w jądrze komórkowym maleńkich kropelek przypominających ciecz. Krople tworzą się jak olej w wodzie i powiększają się pod wpływem światła niebieskiego o określonej długości fali. Ponieważ kropelki inicjowane są na programowalnym białku – zmodyfikowanej wersji białka stosowanego w narzędziu do edycji genów znanym jako CRISPR – mogą również przyłączać kropelkę do DNA w precyzyjnych lokalizacjach, celując w interesujące geny.
Dzięki możliwości kontrolowania tego procesu za pomocą światła zespół znalazł sposób na wyhodowanie dwóch kropelek przyklejonych do różnych sekwencji, połączenie ich ze sobą i ostatecznie zmniejszenie powstałej kropli, łącząc geny w miarę cofania się kropelki. Cały proces trwa około 10 minut.
Używając kondensatów (zielonych), badacze ściągnęli ze sobą dwie części nici DNA, umożliwiając im zetknięcie się. Ilustracja autorstwa Wrighta Seneresa
Zdaniem naukowców fizyczna zmiana położenia DNA w ten sposób wyznacza zupełnie nowy kierunek inżynierii komórkowej w celu poprawy zdrowia i może prowadzić do nowych metod leczenia chorób. Wykazali na przykład, że potrafią przyciągnąć do siebie dwa odległe geny, aż się zetkną. Ustalona teoria przewiduje, że może to prowadzić do większej kontroli nad ekspresją genów lub regulacją genów – najbardziej podstawowymi procesami życiowymi.
Materiałoznawstwo naszego genomu
Cząsteczka DNA ma strukturę długiej podwójnej nici. W żywych komórkach ta długa nić jest owinięta wokół wyspecjalizowanych białek, tworząc materiał zwany chromatyną, która z kolei zwija się, tworząc struktury zwane chromosomami. Po rozwinięciu i rozciągnięciu od końca do końca wszystkie chromosomy danej osoby miałyby około sześciu i pół stopy długości. Komórki ludzkie muszą zmieścić 23 pary tych chromosomów, zwanych łącznie genomem, w jądrze każdej komórki. Stąd potrzeba ciasnego zwinięcia.
Ponieważ DNA jest zarówno nośnikiem informacji, jak i cząsteczką fizyczną, komórka musi rozwinąć ciasno skręcone części DNA, aby skopiować zawarte w nim informacje i wytworzyć białka. Obszary wzdłuż genomu, które są bardziej podatne na ekspresję, są mniej sztywne fizycznie i łatwiej je otworzyć. Obszary, które są wyciszone, są fizycznie bardziej zwinięte i zwarte, przez co komórka jest trudniejsza do otwarcia i odczytania. Jak instrukcja obsługi, która otwiera się łatwiej na niektórych stronach niż na innych.
Amy R. Strom, Yoonji Kim i Cliff Brangwynne. Zdjęcie Stroma: Monica Khanna, zdjęcie Kim: Wright Seneres, zdjęcie Brangwynne: Uniwersytet Princeton Biuro Komunikacji
Zespół badawczy, w skład którego wchodzi doktorantka Amy R. Strom i niedawno ukończona rozprawa doktorska. student Yoonji Kim zamienił się w kropelki cieczy zwane kondensatami, które wykonywały pracę polegającą na zginaniu nici DNA i przemieszczaniu ich.
Podczas gdy niektóre znane nauce składniki komórkowe przypominają bańki mydlane z wyraźną membraną oddzielającą wnętrze od świata zewnętrznego, kondensaty to kropelki cieczy, które łączą się ze sobą bardziej jak krople deszczu, bez żadnej membrany, która je utrzymuje. Po utworzeniu i spełnieniu funkcji komórkowej mogą się rozpaść i ponownie rozproszyć.
Aby bardziej szczegółowo zbadać chromatynę, Strom i Kim oparli się na wcześniejszych badaniach przeprowadzonych w laboratorium Brangwynne, w ramach których opracowano kondensaty z cząsteczek biologicznych w komórce za pomocą światła lasera do tworzenia i łączenia kropelek. W swojej nowej pracy wykorzystali dodatkowy składnik, który przyłącza kondensat do określonych miejsc na niciach DNA i kieruje ich ruchem szybko i precyzyjnie za pomocą sił wywołanych napięciem powierzchniowym, znanych również jako siły kapilarne, które badacze z Princeton odkryli zasugerowane mogą być wszechobecne w żywych komórkach. Wcześniej przenoszenie DNA w ten sposób opierało się na przypadkowych interakcjach w ciągu godzin, a nawet dni.
„Nigdy wcześniej nie byliśmy w stanie uzyskać tak precyzyjnej kontroli nad organizacją nuklearną w tak krótkim czasie” – powiedział Brangwynne.
Podobnie jak CRISPR, ale inaczej
Teraz, gdy potrafią już przemieszczać pasma w kontrolowany sposób, mogą zacząć przyglądać się, czy geny w ich nowych pozycjach ulegają odmiennej ekspresji. Jest to potencjalnie ważne dla pogłębienia naszej wiedzy o mechanizmach fizycznych i materiałoznawstwie ekspresji genów.
Strom powiedział, że naukowcy sprawdzali sztywność jądra, szturchając je z zewnątrz i dokonując pomiaru całego jądra. Naukowcy mogą także przyjrzeć się jednemu genowi i sprawdzić, czy jest on włączony, czy wyłączony. Ale przestrzeń pomiędzy nie jest dobrze poznana.
„Możemy wykorzystać tę technologię do zbudowania mapy tego, co się tam dzieje i lepszego zrozumienia, kiedy sytuacja ulega dezorganizacji, jak w przypadku raka” – powiedział Strom.
To nowe narzędzie może pomóc naukowcom lepiej zrozumieć ekspresję genów, ale nie ma na celu edycji DNA. „Nasze narzędzie w rzeczywistości nie przecina sekwencji DNA tak, jak robi to CRISPR” – powiedział Kim.
„CRISPR jest naprawdę dobry w przypadku chorób związanych z koniecznością cięcia i faktycznej zmiany sekwencji DNA” – powiedział Strom. Technologia ta może działać w przypadku innej klasy chorób, szczególnie tych związanych z zaburzeniami równowagi białkowej, takich jak rak.
„Jeśli będziemy w stanie kontrolować wielkość ekspresji poprzez zmianę położenia genu” – powiedział Strom, „istnieje potencjalna przyszłość dla czegoś takiego jak nasze narzędzie”.
Odniesienie: „Condensate interfacial sił repozycjonowania loci DNA i sondy lepkosprężystości chromatyny” Amy R. Strom, Yoonji Kim, Hongbo Zhao, Yi-Che Chang, Natalia D. Orlovsky, Andrej Košmrlj, Cornelis Storm i Clifford P. Brangwynne, 20 sierpnia 2024 r. , Komórka.
DOI: 10.1016/j.cell.2024.07.034
Artykuł został opublikowany przy wsparciu Instytutu Medycznego Howarda Hughesa, programu Princeton Biomolecular Condensate Program, Princeton Center for Complex Materials, MRSEC (NSF DMR-2011750), St. Jude Collaborative on Membraneless Organelles oraz Biura Sił Powietrznych ds. Badania naukowe Multidyscyplinarny program badawczy Uniwersyteckiej Inicjatywy Badawczej (AFOSR MURI) (FA9550-20-1-0241). Oprócz Brangwynne, Stroma i Kima współautorami są Cornelis Storm z Politechniki w Eindhoven oraz Hongbo Zhao, Yi-Che Chang, Natalia D. Orlovsky i Andrej Košmrlj, wszyscy z Uniwersytetu Princeton.
