Budowanie funkcjonalnych chromosomów w celu poznania mechanizmów replikacji chromatyny
Genetyka zajmuje się dziedziczeniem sekwencji DNA, epigenetyka natomiast koncentruje się na tym, w jaki sposób ekspresja tych sekwencji jest dziedziczona podczas podziału komórek. Te wzorce ekspresji genów dostarczają informacji o mechanizmie dziedziczenia cech. Kluczowym dla epigenetyki pojęciem jest replikacja chromosomów, która polega na dokładnym kopiowaniu sekwencji DNA z jednoczesnym powieleniem wszystkich elementów, które upakowują DNA i regulują jego ekspresję. Jednak dokładne mechanizmy molekularne leżące u podstaw procesów kopiowania nadal pozostają w dużej mierze niezbadane. Opierając się na wcześniejszym sukcesie w badaniach dotyczących odtwarzania replikacji eukariotycznego DNA przy użyciu drożdży, zespół finansowanego ze środków UE projektu CHROMOREP po raz pierwszy zbadał replikację chromosomów przy użyciu oczyszczonych białek. „Nasza metoda dostarcza narzędzia, którego wcześniej brakowało, służącego do badania epigenetyki i zbadania jak chromatyna wpływa na miejsca inicjacji i czas replikacji”, wyjaśnia koordynator projektu John Diffley z Francis Crick Institute – centrum nauk biomedycznych, które jest gospodarzem projektu.
Dziedziczenie epigenetyczne
Jednym z najważniejszych aspektów epigenetyki na poziomie komórkowym jest dziedziczenie „stanów ekspresji genów”. Dwie komórki mogą mieć identyczne sekwencje DNA, ale w komórce krwi dojdzie do ekspresji innych genów niż w komórce skóry. Choć wiele procesów ekspresji genetycznej ma charakter dynamiczny i są one zapoczątkowywane w każdym cyklu komórkowym przez czynniki transkrypcyjne, niektóre pozostają stabilne przez wiele pokoleń, a zjawisko to jest znane jako dziedziczenie epigenetyczne. Podczas dziedziczenia epigenetycznego podczas replikacji DNA dochodzi do modyfikacji białek histonowych związanych z DNA w struktury zwane nukleosomami. Histony, wraz z wszelkimi modyfikacjami chemicznymi, są następnie ponownie osadzane w tej samej pozycji na chromatydach, czyli „niciach-córkach” DNA. Powstają one po rozdzieleniu podwójnej helisy na dwie pojedyncze nici i skopiowaniu każdej z nich. Na powstałych chromatydach następnie są odtwarzane wzorce ekspresji genów.
Poznanie dokładnych mechanizmów replikacji chromosomów
Zespół projektu CHROMOREP oczyścił wszystkie białka potrzebne do replikacji chromosomów i wywołał ekspresję na nagim DNA, a następnie odtworzył je za pomocą matrycy chromatyny. Naukowcy byli w stanie połączyć około 30 oczyszczonych białek w celu replikacji chromatyny. „Reakcje całkowitej replikacji chromatyny są niezwykle złożone, ponieważ bierze w nich udział wiele ruchomych części. Oczyszczenie i użycie 30 różnych białek to bardzo zaawansowana biochemia”, mówi Diffley. Kompletne replisomy, wraz z białkiem chaperonowym histonów o nazwie FACT, wystarczyły badaczom do przeprowadzenia replikacji chromosomu. Świadczyło o tym ponowne umieszczenie histonów na chromatydach-córkach. Replisomy tworzą mechanizm molekularny odpowiedzialny za replikację DNA. Białka chaperonowe histonów to białka, które wiążą się z histonami, umożliwiając ich transport. „Histony posiadają duży ładunek dodatni, a DNA duży ładunek ujemny, dlatego ich interakcje muszą być »nadzorowane«, by mieć pewność, że występują we właściwym miejscu i czasie”, dodaje Diffley. Wraz z dalszym poznawaniem mechanizmów replikacji chromosomów zespół przewiduje możliwość odtworzenia wzorców replikacji całego genomu, a także wyjście poza systemy wykorzystujące drożdże i rozpoczęcie prac z białkami ludzkimi. „Nasza praca pomaga wyjaśnić dziedziczenie epigenetyczne na poziomie molekularnym, uzupełniając pracę wykonywaną przez innych na całych żywych organizmach. Co najważniejsze, budując funkcjonalne chromosomy, możemy zrozumieć, w jaki sposób powstają nieprawidłowości prowadzące do chorób, takich jak nowotwory”, mówi Diffley.
Słowa kluczowe
CHROMOREP, chromosom, gen, DNA, epigenetyka, białko, komórki, chromatyda, replisom, histon, replikacja