Si ruhet identiteti i qelizave kur ndodh ndarja qelizore

Last updated Nov 19, 2023

Studimi sugjeron se palosja 3D e gjenomit është çelësi për aftësinë e qelizave për të ruajtur dhe përcjellë informatat se cilat gjene duhet të shprehin.

Çdo qelizë në trupin e njeriut përmban të njëjtat udhëzime gjenetike, të koduara në ADN-në e saj. Megjithatë, nga rreth 30,000 gjene, secila qelizë shpreh vetëm ato gjene që i nevojiten për t’u bërë një qelizë nervore, qelizë imune ose ndonjë nga qindra llojet e tjera të qelizave në trup, duke mos shprehur të gjitha gjenet e saja.

Fati i çdo qelize përcaktohet kryesisht nga disa modifikimet kimike të proteinave që dekorojnë ADN-në e saj; këto modifikime nga ana e tyre kontrollojnë se cilat gjene ndizen ose fiken. Kur qelizat kopjojnë dhe replikojnë ADN-në e tyre për t’u ndarë, megjithatë, ato humbasin gjysmën e këtyre modifikimeve kimike, duke lënë pyetjen: Si e ruajnë qelizat kujtesën se çfarë lloj qelize supozohet të transformohen në të ardhmën?

Një studim i ri i MIT propozon një model teorik që ndihmon në shpjegimin se si këto “kujtime” kalohen nga brezi në brez kur qelizat ndahen. Ekipi hulumtues sugjeron që brenda bërthamës së çdo qelize, modeli i palosjes 3D i gjenomit të saj përcakton se cilat pjesë të gjenomit do të shënohen nga këto modifikime kimike. Pasi një qelizë kopjon ADN-në e saj, shenjat humbasin pjesërisht, por palosja 3D lejon çdo qelizë bijë të rivendosë lehtësisht shenjat kimike të nevojshme për të ruajtur identitetin e saj. Dhe sa herë që një qelizë ndahet, shenjat kimike lejojnë një qelizë të rivendosë palosjen 3D të gjenomit të saj. Në këtë mënyrë, kujtesa mund të ruhet mbi qindra ndarje qelizash, dhe përsëri qelizat bijë të diferencohen në llojin e njejtë të qelizave edhe pas qindrash gjenerata.

“Një aspekt kyç se si ndryshojnë llojet e qelizave është se gjenet e ndryshme aktivizohen ose çaktivizohen. Është shumë e vështirë të transformosh një lloj qelize në një tjetër sepse këto gjendje janë shumë mirë të përkufizuara dhe determinuara gjenetikisht,” thotë Jeremy Owen PhD ’22, autori kryesor i studimit.
“Ajo që kemi bërë në këtë punë është zhvillimi i një modeli të thjeshtë që nxjerr në pah veçoritë cilësore të sistemeve kimike brenda qelizave dhe mënyrën se si ato duhet të funksionojnë në mënyrë që kujtimet e shprehjes së gjeneve të jenë të qëndrueshme.”

Ruajtja e kujtesës

Brenda bërthamës së qelizës, ADN-ja mbështillet rreth proteinave të quajtura histone, duke formuar një strukturë të mbushur dendur të njohur si kromatinë. Histonët mund të shfaqin një sërë modifikimesh që ndihmojnë në kontrollin se cilat gjene shprehen në një qelizë të caktuar. Këto modifikime gjenerojnë “kujtesë epigjenetike”, e cila ndihmon një qelizë të ruajë llojin e saj të qelizës. Megjithatë, mënyra se si kjo kujtesë kalon në qelizat e vajzave është disi një mister.

Puna e mëparshme nga laboratori i Mirny-t (Leonid Mirny, një profesor në Institutin për Inxhinierinë Mjekësore dhe Shkencë të MIT dhe Departamentin e Fizikës) ka treguar se struktura 3D e kromozomeve të palosur përcaktohet pjesërisht nga këto modifikime ose shenja epigjenetike. Në veçanti, ata zbuluan se disa rajone të kromatinës, u thonë qelizave të mos lexojnë një segment të caktuar të ADN-së, tërheqin njëra-tjetrën dhe formojnë grumbullime të dendura të quajtura heterokromatin, të cilat janë të vështira për t’u aksesuar nga qeliza.

Në studimin e tyre të ri përmes zhvillimit të një modelit llogaritës të një polimeri , Mirny dhe kolegët e tij donin t’i përgjigjeshin pyetjes se si ato shenja epigjenetike mbahen nga brezi në brez.

Kur një qelizë kopjon ADN-në e saj për ta ndarë atë midis dy qelizave bija, secila kopje merr rreth gjysmën e shenjave epigjenetike. Më pas, qeliza duhet të rivendosë shenjat epigjenetike të humbura përpara se ADN-ja të kalojë te qelizat bijë, dhe mënyra se si palosën kromozomet shërben si një plan për këtë proces.

Këto modifikime shtohen nga enzima të specializuara të njohura si enzima “lexues-shkrues”. Secila prej këtyre enzimave është specifike për një shenjë epigjenenetike të caktuar, dhe pasi ata “lexojnë” shenjat epigjenetike ekzistuese, ata “shkruajnë” shenja epigjenetike shtesë në vendndodhjet e afërta. Nëse kromatina është palosur tashmë në një formë 3D, shenjat do të grumbullohen në rajone që tashmë kishin modifikime të trashëguara nga qeliza mëmë.

“Ka disa dëshmi që sugjerojnë se përhapja mund të ndodhë në 3D, që do të thotë nëse ka dy pjesë që janë afër njëra-tjetrës në hapësirë, edhe nëse ato nuk janë ngjitur përgjatë ADN-së, atëherë përhapja e këtyre shenjave epigjenetike mund të ndodhë nga njëra në tjetrën. ”, thotë Owen.

Ky proces është analog me përhapjen e sëmundjes infektive, pasi sa më shumë kontakte të ketë një rajon i kromatinës me rajone të tjera, aq më shumë ka gjasa që ai të modifikohet, ashtu si një individ që është i ndjeshëm ndaj një sëmundjeje të caktuar ka më shumë gjasa të infektohet përderisa numri i kontakteve të tyre rritet. Në këtë analogji, rajonet e dendura të heterokromatinës janë si qytete ku njerëzit kanë shumë ndërveprime sociale, ndërsa pjesa tjetër e gjenomit është e krahasueshme me zonat rurale me popullsi të rrallë.

“Kjo në thelb do të thotë se shenjat epigjenetike do të jenë kudo në rajonin e dendur dhe do të jenë shumë të rralla kudo jashtë tij,” thotë Mirny.

Modeli i ri sugjeron paralele të mundshme midis kujtimeve epigjenetike të ruajtura në një polimer të palosur dhe kujtimeve të ruajtura në një rrjet nervor, shton ai. Modelet e shenjave mund të mendohen si analoge me modelet e lidhjeve të formuara midis neuroneve që funksionojnë së bashku në një rrjet nervor.

“Në përgjithësi, kjo sugjeron se njësoj me mënyrën se si rrjetet nervore janë në gjendje të bëjnë përpunimin shumë kompleks të informacionit, mekanizmi i kujtesës epigjenetike që përshkruam mund të jetë në gjendje të përpunojë informacionin, jo vetëm ta ruajë atë,” thotë ai.

Erozioni epigjenetik

Ndërsa ky model dukej se ofronte një shpjegim të mirë se si mund të ruhet memoria epigjenetike, studiuesit zbuluan se përfundimisht, aktiviteti i enzimeve lexues-shkruese do të çonte në mbulimin e të gjithë gjenomit me modifikime epigjenetike. Kur ata ndryshuan modelin për ta bërë enzimën më të dobët, ajo nuk mbulonte mjaft gjenomin dhe kujtimet humbën në disa breza qelizash.

Për ta bërë modelin të llogarisë më saktë ruajtjen e shenjave epigjenetike, studiuesit shtuan një element tjetër: kufizimin e sasisë së enzimave lexues-shkrues në dispozicion. Ata zbuluan se nëse sasia e enzimës mbahej midis 0.1 dhe 1 për qind të numrit të histoneve (një përqindje e bazuar në vlerësimet e bollëkut aktual të këtyre enzimave), qelizat e tyre model mund të ruanin me saktësi kujtesën e tyre epigjenetike deri në qindra breza , në varësi të kompleksitetit të modelit epigjenetik.
Dihet tashmë se qelizat fillojnë të humbasin kujtesën e tyre epigjenetike ndërsa plaken, dhe studiuesit tani planifikojnë të studiojnë nëse procesi që ata përshkruan në këtë punim mund të luajë një rol në erozionin epigjenetik dhe humbjen e identitetit qelizor. Ata gjithashtu planifikojnë të modelojnë modelin e sëmundjes të quajtur progeria, në të cilën qelizat kanë një mutacion gjenetik që çon në humbjen e heterokromatinës. Njerëzit me këtë sëmundje përjetojnë plakje të përshpejtuar.

“Lidhja mekanike midis këtyre mutacioneve dhe ndryshimeve epigjenetike që ndodhin përfundimisht nuk është kuptuar mirë,” thotë Owen. “Do të ishte mirë të përdorej një model si i yni ku ka shenja dinamike, së bashku me dinamikën e polimerit, për të provuar dhe shpjeguar këtë fenomen”.

Studiuesit gjithashtu shpresojnë të punojnë me bashkëpunëtorët për të testuar eksperimentalisht disa nga parashikimet e modelit të tyre, të cilat mund të bëhen duke ndryshuar nivelin e enzimave lexues-shkrues në qelizat e gjalla dhe duke matur efektin në kujtesën epigjenetike.

Hulumtimi u financua nga Instituti Kombëtar i Kërkimeve të Gjenomit Njerëzor, Instituti Kombëtar i Shkencave të Përgjithshme Mjekësore dhe Fondacioni Kombëtar i Shkencës.

Përgatiti dhe përmblodhi:
WWW.STUDENTET.MK