כרומטין: השער לביטוי הגנטי

חוקרים בפקולטה לביולוגיה בטכניון פיתחו שיטה לפירוק מולקולת כרומטין בודדת ולחקר תפקידה בתהליכי שעתוק גנטיים

פרופ' אריאל קפלן מהפקולטה לביולוגיה בטכניון

פרופ' אריאל קפלן מהפקולטה לביולוגיה בטכניון

מחקר שנערך בפקולטה לביולוגיה בטכניון שופך אור על הדינמיקה של מולקולת הכרומטין – הקומפלקס המכיל את ה-DNA ואת החלבונים הקשורים אליו – ועל תפקידה בבקרת הביטוי הגנטי. המחקר, שהתפרסם בכתב העת Nature Communications, נערך על ידי הדוקטורנט סרגיי רודניצקי בהנחיית הפרופסורים אריאל קפלן ופיליפה מלמד.

המידע התורשתי המקודד ב-DNA קובע כיצד יתפתח האורגניזם ומשפיע על מהלך חייו בבריאות ובחולי. אולם ה-DNA אינו מתקיים באורגניזם כיחידה מבודדת; הוא יוצר מבנה מורכב יחד עם ההיסטונים – חלבונים בעלי מטען חיובי, סביבם כרוך ה-DNA כמעין סליל. המבנה המורכב הזה, הוא הנוקלאוזום, מהווה את אבן הבניין הבסיסית המרכיבה את הכרומטין.

אריזת ה-DNA בנוקלאוזום מגנה על ה-DNA מפני מפגעים שונים ויוצרת "חיסכון מרחבי", שכן היא מקטינה פי 10,000 את גודלה של מולקולת ה-DNA. עם זאת, לאותה קומפקטיוּת שהתפתחה במהלך האבולוציה יש מחיר: היא מקטינה את נגישות ה-DNA למערכות הנדרשות לקרוא את "הוראות ההפעלה" המקודדות בו. זו הסיבה שלכרומטין, ולאופן שבו הוא אורז אזורים שונים ב-DNA, השפעה עצומה על מידת הביטוי הגנטי של כל גן ב-DNA.

המורכבות והדינמיות של מבנה הכרומטין מהווים אתגר גדול עבור מדענים המעוניינים ללמוד את אופן הבקרה שלו על הביטוי הגנטי. כאן נכנס לתמונה כלי מחקרי חדשני בתחום מדעי החיים: המלקחיים האופטיים. טכנולוגיה זו מאפשרת להפעיל, באמצעות קרני לייזר, כוחות מכניים על מולקולות בודדות.

פרופ' פיליפה מלמד מהפקולטה לביולוגיה בטכניון

פרופ' פיליפה מלמד מהפקולטה לביולוגיה בטכניון

"השפעת מבנה הכרומטין על ביטוי גנים נחקרת כבר שנים רבות בשיטות שונות," מסביר פרופ' קפלן, "אבל במרבית המקרים הוא נחקר כ'צבר מולקולות' ולא ברמת המולקולה הבודדת. כעת, באמצעות טכנולוגיית המלקחיים האופטיים, אנו מסוגלים 'לבקע' מולקולת כרומטין בודדת ולחקור את מאפייניה ואת תפקידה בבקרת הביטוי הגנטי."

החוקרים, שהתמקדו בהיסטון בשם H2A.Z, גילו כי נוקלאוזומים המכילים אותו מאופיינים ביציבות נמוכה ובניידות גבוהה על גבי מולקולת ה-DNA. אותה דינמיוּת, מתברר, ממלאת תפקיד חשוב בבקרת הביטוי הגנטי ומהווה מנגנון בקרה שלא היה ידוע עד כה. "למעשה, הנוקלאוזומים הקרובים לקצה הגן הם הקו הראשון של בקרת הביטוי, והבנתם שופכת אור על האופן שבו גנים מבוקרים בתאים שונים ובמצבים שונים. במחקר זה חקרנו את ההיסטון H2A.Z ביחס לשני גנים הקשורים למערכת הרבייה, ולכן תוצאות המחקר תורמות להבנת מנגנוני הפוריות; עם זאת, השלכות המחקר רחבות הרבה יותר בשל חשיבותה של בקרת הביטוי הגנטי בתהליכים התפתחותיים ובהתפתחותן של מחלות שונות."

למאמר שפורסם ב-Nature Communications לחצו כאן

מימין לשמאל: פרופ' פיליפה מלמד, פרופ' אריאל קפלן והדוקטורנט סרגיי רודניצקי

מימין לשמאל: פרופ' פיליפה מלמד, פרופ' אריאל קפלן והדוקטורנט סרגיי רודניצקי

למעלה - הכנסת ההיסטון H2A.Z מגבירה את ניידותו של הנוקלאוזום על ה-DNA וכך מעודדת את שעתוק הגן, כלומר את הביטוי הגנטי.  למטה - מלקחיים אופטיים מפעילים כוחות מכניים על מולקולות כרומטין בודדות ופורמים את ה-DNA. כתוצאה מכך מתפרק הנוקלאוזום, וכך אפשר ללמוד על יציבותו ועל ניידותו.

למעלה – הכנסת ההיסטון H2A.Z מגבירה את ניידותו של הנוקלאוזום על ה-DNA וכך מעודדת את שעתוק הגן, כלומר את הביטוי הגנטי. למטה – מלקחיים אופטיים מפעילים כוחות מכניים על מולקולות כרומטין בודדות ופורמים את ה-DNA. כתוצאה מכך מתפרק הנוקלאוזום, וכך אפשר ללמוד על יציבותו ועל ניידותו.