Un nou studiu arată că ADN-ul uman nu este organizat static în interiorul celulei, ci îşi modifică permanent forma în spaţiu. Aceste schimbări tridimensionale influenţează modul în care sunt activate sau dezactivate genele şi pot avea un rol în apariţia cancerului şi a unor tulburări de dezvoltare, inclusiv afecţiuni din spectrul autist.
În fiecare celulă umană, aproape doi metri de ADN trebuie compactaţi într-un nucleu microscopic. Această organizare nu este rigidă. Potrivit unei cercetări conduse medici-cercetători de la Intitutul Salk pentru cercetări biomedicale (Salk Institute for Biological Studies), buclele de ADN (genomul), se formează şi se desfac continuu sub acţiunea proteinelor de organizare - complexe proteice precum coezina -, iar diferite regiuni îşi modifică structura cu viteze distincte.
Genomul conţine aproximativ şase miliarde de perechi de baze şi zeci de mii de gene. Pentru a încăpea în nucleu şi pentru a rămâne accesibil atunci când este necesar, ADN-ul formează bucle. Aceste bucle sunt generate de un complex proteic numit coezină, asistat de proteina NIPBL, care ajută coezina să se deplaseze de-a lungul ADN-ului şi să modeleze aceste structuri.
„Genomul uman conţine aproximativ şase miliarde de perechi de baze, iar în ultimul deceniu am început să înţelegem mai bine mecanismele moleculare care pliază şi organizează această cantitate uriaşă de informaţie”, spune, într-un comunicat, autorul principal al studiului, dr. Jesse Dixon, profesor asociat şi titular al catedrei pentru Dezvoltare la Salk, care şi-a dedicat activitatea de cercetare studierii modului în care ADN-ul este pliat şi organizat în interiorul nucleului celular, având în vedere că erorile acestei organizări structurale pot contribui la apariţia cancerului şi a unor afecţiuni de dezvoltare, inclusiv tulburări din spectrul autist.
„Interesant este că această pliere a ADN-ului nu are loc o singură dată, după care genomul rămâne neschimbat, ci pare să se desfăşoare continuu, prin procese repetate de desfacere şi refacere a structurii. Studiul nostru oferă o imagine mai clară asupra locurilor şi frecvenţei acestor reorganizări, ceea ce ne ajută să înţelegem mai bine funcţionarea acestor mecanisme moleculare şi, implicit, ce se poate întâmpla atunci când ele sunt afectate în cancer sau în tulburări de dezvoltare”, a explicat acesta.
Dr. Jesse Dixon a utilizat cardiomiocite derivate din celule stem pluripotente induse umane (iPSC) pentru a demonstra că modul în care ADN-ul este pliat şi reorganizat continuu în interiorul nucleului celulei influenţează identitatea celulară - ansamblul de gene active care determină funcţia şi caracteristicile specifice fiecărui tip de celulă. Credit: Institutul Salk
Cercetări anterioare au arătat că buclele formate de coezină nu sunt permanente, ci se formează (se pliază) şi se desfac repetat. Echipa a analizat cât de frecvent apar aceste modificări şi dacă anumite regiuni ale genomului sunt mai dinamice decât altele.
Pentru asta, cercetătorii au redus nivelul proteinei NIPBL în celule epiteliale pigmentare retiniene umane imortalizate (RPE-1) - celule provenite din epiteliul pigmentar al retinei care au fost adaptate pentru a se multiplica continuu în cultură, fiind stabilizate pentru cercetare.
În absenţa NIPBL, coezina s-a deplasat mai greu de-a lungul ADN-ului şi a format mai puţine bucle, iar genomul a început să se desfacă. Procesul nu a fost uniform. Unele regiuni s-au relaxat rapid, în timp ce altele s-au modificat treptat, pe parcursul mai multor ore.
Viteza acestor schimbări a fost corelată cu activitatea genelor din respectivele regiuni. Bucle stabile, care au persistat ore întregi, au fost identificate în zone unde genele erau inactive.
În schimb, buclele care se formau şi se desfaceau rapid au fost asociate cu regiuni în care genele erau active şi implicate în funcţii caracteristice fiecărui tip celular.
Celule epiteliale pigmentare retiniene umane imortalizate (RPE-1) în curs de diviziune, ilustrând capacitatea remarcabilă a organismului de a compacta, stoca, duplica şi reorganiza molecule lungi de material genetic (ADN). Credit: Institutul Salk
„Un lucru pe care aceste rezultate par să îl indice este că plierea şi desfacerea continuă a genomului ar putea fi deosebit de importante pentru a ajuta celula să îşi «amintească» ce tip de celulă trebuie să fie, prin menţinerea expresiei genelor specifice fiecărui tip celular”, notează cercetătorii.
Pentru a evalua impactul asupra identităţii celulare, echipa a studiat celule cardiace şi neuroni obţinuţi din celule stem pluripotente induse umane (iPSC). S-a observat că plierea dinamică a fost deosebit de importantă în regiunile genomice care conţin gene esenţiale pentru funcţia cardiacă, respectiv pentru funcţia neuronală.
Întrucât aceste gene specializate ocupă poziţii diferite în genom, capacitatea ADN-ului de a-şi modifica în mod repetat organizarea tridimensională ar putea ajuta fiecare tip celular să îşi păstreze programul propriu de activitate genetică.
Echipa de la laboratorul de cercetare al dr. Jesse Dixon a utilizat neuroni derivaţi din celule stem pluripotente induse umane (iPSC) pentru a arăta că modul în care ADN-ul este pliat şi reorganizat continuu în interiorul nucleului influenţează identitatea celulară. Credit: Institutul Salk
Autorii sugerează că regiunile genomului implicate în definirea identităţii celulare sunt mai dinamice deoarece buclele de ADN se formează şi se desfac repetat în aceste zone, menţinând contactul dintre secvenţe genetice care trebuie să comunice între ele. Prin refacerea constantă a acestor contacte, celula poate continua să activeze genele necesare producerii proteinelor specifice funcţiei sale.
Rezultatele oferă o explicaţie pentru efectele extinse ale defectelor de pliere a genomului.
Mutaţiile în mecanismele responsabile de organizarea tridimensională pot fi asociate cu afecţiuni precum sindromul Cornelia de Lange, care afectează mai multe organe şi sisteme. Această boală genetică rară, prezentă de la naştere, afectează dezvoltarea fizică şi intelectuală.
Sindromul Cornelia de Lange se caracterizează prin întârziere de creştere, trăsături faciale distinctive, malformaţii ale membrelor şi dificultăţi cognitive de severitate variabilă. Afecţiunea este asociată cu mutaţii în gene implicate în organizarea şi reglarea ADN-ului în interiorul celulei.
În cazul cancerului, autorii sugerează că modificarea proceselor de organizare şi reorganizare în spaţiu a genomului ar putea altera identitatea celulară şi ar putea contribui la diviziunea celulară excesivă, caracteristică procesului tumoral.
Confirmarea faptului că modul în care ADN-ul este împachetat şi reorganizat în interiorul nucleului influenţează direct reglarea genelor deschide noi perspective pentru dezvoltarea unor strategii terapeutice menite să corecteze defectele de organizare a genomului asociate cancerului şi bolilor de dezvoltare.
Studiul a fost publicat în revista Nature Genetics.
