Znajdź zawartość

Od wielu lat wiadomo, że poszczególne geny różnią się poziomem aktywności, lecz wciąż wiemy stosunkowo niewiele na temat mechanizmów decydujących o tym, które fragmenty DNA podlegają w danej komórce aktywnej ekspresji, a które zostają "wyciszone". Nowych, istotnych informacji na ten temat dostarczają badacze z Instytutu Studiów Biologicznych Salk. Równowaga pomiędzy genami poddawanymi ekspresji i tymi o obniżonej aktywności jest kluczowa dla przeżycia komórki. Widać to np. na przykładzie nowotworów. Do ich rozwoju konieczna jest przewaga czynności genów sprzyjających podziałom komórkowym, zwanych protoonkogenami, nad genami blokującymi ten proces, zwanymi supresorami. Właśnie jednego z tych ostatnich, zwanego p16, dotyczyło studium przeprowadzone przez badaczy z Instytutu Salk. Jedną z podstawowych form "wyciszania" określonych fragmentów nici DNA jest jej owijanie wokół białek zwanych histonami. Powstaje w ten sposób ściśle skręcony odcinek, zwany heterochromatyną, do którego nie mogą dotrzeć enzymy odpowiedzialne za przetwarzanie informacji genetycznej. Proces ten może doprowadzić np. do "wyłączenia" p16, co sprzyja rozwojowi nowotworu. Niestety, dotychczas nikt nie wiedział, jak dokładnie dochodzi do tego zjawiska. Przełomowego odkrycia dokonał zespół dr. Michaela Witchera. W pobliżu odcinka DNA zawierającego p16 badacze zidentyfikowali charakterystyczną sekwencję, pełniącą funkcję miejsca wiążącego białko CTCF. Jak określają autorzy, miejsce to pełni rolę "molekularnego płotu", który szczelnie odgradza miejsca powstawania heterochromatyny od odcinków, w których nić DNA pozostaje rozpleciona i aktywna. Odkrycie naukowców z Instytutu Salk udało się potwierdzić podczas badań nad wieloma typami komórek nowotworowych. Jak wykazała analiza ich DNA, sekwencja wiążąca CTCF, która powinna znajdować się w okolicy genu kodującego białko p16, była w nich nieaktywna z powodu braku charakterystycznej modyfikacji chemicznej zwanej PARlacją (skrót od "poli(ADP-rybozyl)acja"). Efektem było ukrycie tego genu wewnątrz heterochromatyny, przez co komórki nie mogły wytwarzać białka hamującego rozwój nowotworu. Odkrycie dokonane przez naukowców z Instytutu Salk może pomóc w badaniach nad poszukiwaniem leków, które przywracałyby utraconą aktywność p16, pozwalając komórce na odzyskanie kontroli nad tempem własnych podziałów lub przeprowadzenie procesu "samobójstwa", czyli apoptozy. Oba te procesy byłyby bardzo korzystne z punktu widzenia terapii onkologicznej.

Jaką funkcję, oprócz przechowywania materiału genetycznego, może pełnić jądro komórkowe? Zdaniem niemiecko-angielskiego zespołu badaczy, u zwierząt prowadzących nocny tryb życia pełni ono funkcję... soczewki. O odkryciu informuje prestiżowe czasopismo Cell. Swoje wnioski autorzy opierają na badaniu architektury jądra komórkowego, czyli rozłożenia różnych fragmentów nici DNA w jego wnętrzu. Materiał genetyczny nie jest bowiem jednorodny - składa się on z silnie zbitej i nieaktywnej heterochromatyny oraz z euchromatyny, czyli fragmentów DNA o znacznie niższym stopniu zagęszczenia, do których z łatwością mogą przyłączać się enzymy odpowiedzialne za ekspresję genów. W typowej niedzielącej się komórce euchromatyna zlokalizowana jest w centrum jądra komórkowego, zaś jego peryferie są zajęte przez heterochromatynę. Sytuacja wygląda jednak zupełnie inaczej w pręcikach, czyli komórkach wyspecjalizowanych w wykrywaniu światła o minimalnym natężeniu, u ssaków prowadzących nocny tryb życia. Ich DNA jest zorganizowane w sposób dokładnie odwrotny, tzn. heterochromatyna znajduje się u nich w pobliżu centrum jądra komórkowego, zaś odcinki o luźniejszej strukturze znajdują się na jego obrzeżach. Jak się okazuje, nie jest to zjawisko przypadkowe. Dzięki badaniu właściwości optycznych jąder komórkowych zauważono, że w pręcikach u zwierząt nocnych skupiają one światło, pozwalając w ten sposób na zwiększenie czułości oka. W oczywisty sposób wspomaga to widzenie w nocy, gdy ilość światła docierającego do narządu wzroku jest minimalna. Co ciekawe, badanie na myszach wykazało, iż charakterystyczna architektura jądra komórkowego nie jest widoczna od urodzenia, lecz rozwija się dopiero po kilku tygodniach życia. Wiele wskazuje także na to, że cecha ta pojawiła się w toku ewolucji co najmniej kilkakrotnie i nie jest efektem pojedynczej zmiany, "dziedziczonej" przez kolejne gatunki preferujące nocny tryb życia. Jak przyznają autorzy odkrycia, prezentowana przez nich hipoteza była z początku wyśmiewana przez kolegów. Z czasem udało się jednak udowodnić, że nietypowe rozłożenie DNA ma swój cel. Okazuje się więc, że odwaga jest prawdziwą cnotą także dla naukowców.

Przy opisywaniu dziedziczenia przyjęło się traktować ten proces wyłącznie jako zależny od informacji zapisanej w DNA. Okazuje się jednak, że oprócz tego mechanizmu istnieje także druga grupa zjawisk, które kontrolują aktywność genów przekazywanych potomstwu. Jeden z mechanizmów decydujących o pozagenowym (lub, mówiąc fachowym językiem, epigenetycznym) dziedziczeniu został niedawno odkryty przez amerykańskich naukowców. Badacze z laboratorium Cold Springs Harbor rozszerzyli dostępną dotychczas wiedzę na temat sposobu, w jaki sposób upakowanie nici DNA w jądrze komórkowym wpływa na rozwój komórek potomnych. Nić ta jest nawinięta na białka zwane histonami, wraz z którymi tworzy strukturę zwaną chromatyną, przypominającą sznur z nawleczonymi koralami. Im silniej histony wiążą w danym miejscu z DNA, tym mniej aktywne są położone w tym miejscu nici geny. Takie "ciche" obszary genomu komórki nazywamy heterochromatyną. Tworzy ona około 10% całego genomu człowieka i "rozluźnia" swoją strukturę wyłącznie w czasie kopiowania DNA na potrzeby podziału komórkowego. Podczas replikacji materiału genetycznego dochodzi do powielenia nie tylko samej jego sekwencji, lecz także miejsc, w których powstaje heterochromatyna. Oznacza to, że nawet bliźnięta o identycznej informacji genetycznej mogą wykazywać inną ekspresję genów z powodu zjawisk epigenetycznych. Dotychczas nie było jasne, w jaki sposób dochodzi do "zapamiętywania" przez potomne komórki sposobu, w który histony łączą się z określonymi odcinkami DNA. Jako model do badań posłużyły drożdże piekarskie, bardzo często stosowane w tego typu eksperymentach. Odkryto, że za zjawiskiem stoi mechanizm tzw. interferencji RNA (za jego odkrycie przyznano w 2006 Nagrodę Nobla). Polega on na bardzo precyzyjnym wyłączaniu aktywności określonych genów za pomocą krótkich nici RNA. Okazało się, że do syntezy RNA odpowiedzialnego za interferencję dochodzi wyłącznie podczas podziału komórek, kiedy to cała nić DNA (a więc także heterochromatyna) na krótki okres rozluźnia się i staje się aktywna. Właśnie przez ten krótki czas dochodzi do syntezy RNA, które następnie reguluje proces powstawania struktury chromatyny. Badacze zauważyli jednocześnie, że bardzo podobny proces zachodzi u niektórych roślin. Odkryto bowiem, że pod wpływem zmiany temperatury dochodzi do zmiany nasilenia zjawiska interferencji RNA. Roślina musi przejść przez okres chłodu, by z nasiona zaczął powstawać zalążek nowego pędu (właśnie w tym czasie dochodzi do zmian w ekspresji genów pod wpływem zmiany temperatury). Proces ten widać doskonale w przypadku niektórych zbóż, zwanych ozimymi. Artykuł na temat szczegółów odkrycia został opublikowany w najnowszym numerze czasopisma Current Biology.