فهرست مطالب
پژوهشگران با ایجاد نقشه چهاربعدی و ابزارهای محاسباتی ژنوم، توانستند ساختار DNA را در سلول‌ها بررسی و پیش‌بینی کنند که چگونه واریانت‌های ژنتیکی، به‌ویژه مرتبط با بیماری، فعالیت ژن‌ها و رفتار سلول‌ها را تغییر می‌دهند.
به گزارش سرویس علمی تکناک، ژنوم انسان دیگر فقط یک توالی برای خواندن نیست؛ بلکه ساختاری پویا است که می‌چرخد، تا می‌شود و بازآرایی می‌شود و به این ترتیب نحوه عملکرد سلول‌ها و فرآیندهای حیاتی را تعیین می‌کند.
در پیشرفتی بزرگ در علم ژنتیک، پژوهشگران دانشگاه نورث‌وسترن در همکاری با پروژه بین‌المللی ۴D Nucleome، دقیق‌ترین نقشه از نحوه سازماندهی چهاربعدی ژنوم انسان در طول زمان را ارائه کرده‌اند.
این پژوهش نگاهی بی‌سابقه به تعاملات فیزیکی ژن‌ها در هسته سلول در حین رشد، عملکرد و تقسیم آنها فراهم می‌کند. مطالعه بر روی سلول‌های بنیادی جنینی و فیبروبلاست‌ها (دو نوع سلول کلیدی برای فهم توسعه و رفتار سلولی) متمرکز شد.
با ردیابی حرکت و تا شدن DNA، پژوهشگران نشان دادند که سازماندهی فضایی نقش حیاتی در تنظیم فعالیت ژن‌ها ایفا می‌کند. فنگ یئو، نویسنده مقاله، بیان کرد: «درک چگونگی تا شدن و بازآرایی ژنوم در چهار بعد برای فهم عملکرد سلول‌ها ضروری است.» این نقشه تصویری بی‌سابقه از نقش ساختار ژنوم در تنظیم فعالیت ژن‌ها در فضا و زمان ارائه می‌دهند. DNA به جای یک رشته خطی ساده، در داخل هسته حلقه‌ها، بخش‌ها و حوزه‌هایی را شکل می‌دهد که تعیین می‌کنند کدام ژن‌ها فعال یا غیرفعال شوند و به این ترتیب هویت سلول، فرآیند توسعه و پیشرفت بیماری‌ها شکل می‌گیرد.
حتما بخوانید: کشف یک ژن که باعث بروز اختلالات روانی می‌شود
ارتباط ساختار ژنوم با عملکرد سلولی
برای درک این پیچیدگی، تیم پژوهشی چندین فناوری پیشرفته ژنومی را در قالب یک مجموعه داده یکپارچه ترکیب کرد. با توجه به اینکه هیچ روش واحدی قادر به توصیف کامل ساختار ژنوم نیست، پژوهش با دقت روش‌های مکمل را ادغام کرد تا نقشه چهاربعدی شفاف و دقیق از سازماندهی ژنوم ارائه شود. این تحلیل بیش از ۱۴۰ هزار حلقه کروماتین در هر نوع سلول شناسایی کرد و عناصر مولکولی مسئول تثبیت این حلقه‌ها و تنظیم فعالیت ژن‌ها را مشخص نمود.
بیشتر بخوانید: کنترل تشنج با ترکیب امواج صوتی و ژن‌درمانی
برای مطالعه بیشتر: نشانگرهای سرمی جدید فعالیت ژن‌های مغز را به سرعت و با دقت بالا رصد می‌کنند
طبقه‌بندی جامعی از حوزه‌های کروموزومی نیز ارائه شد که نشان می‌دهد این حوزه‌ها در چه بخش‌هایی از هسته قرار دارند. مدل‌های چهاربعدی با وضوح بالا در سطح تک‌سلولی ایجاد شد، که امکان مشاهده موقعیت هر ژن نسبت به ژن‌ها و عناصر تنظیمی مجاور را برای دانشمندان فراهم می‌کند. این نقشه‌ها همچنین نشان دادند که معماری ژنوم از یک سلول به سلول دیگر متفاوت است. نتایج حاکی است تغییرات در تا شدن DNA به طور مستقیم با فرآیندهای حیاتی سلولی مانند رونویسی و تکثیر DNA مرتبط است و به توضیح علت رفتار متفاوت سلول‌های از نظر ژنتیکی مشابه کمک می‌کند.
پیش‌بینی بیماری بر اساس نقشه چهاربعدی ژنوم
فراتر از ترسیم نقشه ژنوم، پژوهشگران نقاط قوت و محدودیت‌های تکنیک‌های مختلف نقشه‌برداری ژنوم را مورد سنجش قرار دادند و راهنمای عملی ارزشمندی برای مطالعات آینده پیرامون سازماندهی هسته سلول ارائه کردند. تیم تحقیقاتی ابزارهای محاسباتی توسعه داد که قادر است نحوه تا شدن ژنوم را بر پایه توالی DNA پیش‌بینی کند.
این بدان معناست که دانشمندان می‌توانند بدون انجام آزمایش‌های پیچیده آزمایشگاهی، پیش‌بینی کنند تغییرات ژنتیکی (به‌ویژه واریانت‌های مرتبط با بیماری) چگونه ساختار ژنوم را تحت تاثیر قرار می‌دهند.
یئو اظهار داشت: «با توجه به اینکه بخش عمده واریانت‌های مرتبط با بیماری‌های انسانی در نواحی ژنوم قرار دارند، درک تاثیر این واریانت‌ها بر بیان ژن‌های حیاتی و نقش آنها در بیماری‌ها ضروری است.» وی افزود: «نقشه چهاربعدی ژنوم چارچوبی قدرتمند برای پیش‌بینی ژن‌هایی است که احتمالا تحت تاثیر این واریانت‌های بیماری‌زا قرار می‌گیرند.»
این رویکرد می‌تواند شناسایی جهش‌های بیماری‌زا را تسریع کرده و مکانیزم‌های پنهان پشت اختلالات ارثی، سرطان‌ها و ناهنجاری‌های توسعه‌ای را آشکار سازد. پژوهشگران امیدوارند این یافته‌ها روزی امکان توسعه درمان‌هایی را فراهم کند که به‌طور مستقیم معماری ژنوم را هدف قرار دهند.
یئو خاطرنشان کرد: «با مشاهده تغییرات ژنوم چهاربعدی در انواع سرطان‌ها، از جمله لوکمیا و تومورهای مغزی، هدف بعدی ما بررسی روش‌های دقیق هدف‌گیری و تعدیل این ساختارها با استفاده از داروهایی مانند بازدارنده‌های اپی‌ژنتیک است.»
نتایج این مطالعه در مجله معتبر Nature منتشر شده است.
