Gündem

Genler ve bunların geliştiricileri arasındaki etkileşimlerin baz çifti görünümü

0

Ortalama çapı sadece 10 mikrometre olan bir çekirdeğe 2 metre DNA nasıl sığabilir? Vücudumuzdaki hemen hemen tüm hücreler, bilim adamlarının on yıllardır ilgisini çeken bu depolama bilmecesiyle karşı karşıyadır. Üstelik bu sıkıştırma turu, DNA’yı çekirdekte rastgele olmaktan uzak bir şekilde katlar. DNA katlanma modeli, yaklaşık 20.000 genimizin ekspresyonunun düzenlenmesi de dahil olmak üzere genomumuzu içeren birçok süreç için önemlidir. yazmak Doğa, Hua ve diğerleri1 3B genom mimarisini izlemek için geliştirdikleri bir yöntemi açıklar. Bu bilgi, DNA’nın tek baz çiftleri seviyesindeki genomik etkileşimleri saptayabilir. Gen ifadesinin nasıl kontrol edildiğine dair yeni düşünme yolları önerir ve gelecekteki araştırmalar için heyecan verici olanaklar sunar.

İnsanlar ve diğer organizmalar, gen ifadesini kesin olarak düzenlemek için karmaşık mekanizmalar geliştirmiştir. Farklı hücre türleri, farklı gen kümelerini ifade eder ve bu ifade kalıpları, bir hücrenin işlevine bağlı olabilir veya viral enfeksiyon gibi çevresel ipuçlarına yanıt olarak ortaya çıkabilir. Gen ekspresyonunun kontrolünün merkezinde, genomlarımızda oldukça bol bulunan, hızlandırıcılar olarak adlandırılan kısa düzenleyici DNA dizileri bulunur. Mevcut tahminlere göre2, insan genomunda 810.000’e kadar geliştirici vardır.

Güçlendiriciler, gen ekspresyonunun ‘muhasebecileri’ tarafından bağlanır: 6-12 baz çiftine karşılık gelen DNA dizilerinin kısa motiflerine bağlanan, transkripsiyon faktörleri adı verilen DNA bağlayıcı proteinler3. Güçlendiriciler, düzenledikleri gen(ler)den uzakta bulunabilirler ve gen ekspresyonunu nasıl uyardıkları önemli bir araştırma konusudur.4. Mevcut önde gelen model, güçlendiricilerin ve genlerin belirli DNA katlanma kalıpları ile daha yakın uzamsal yakınlığa getirilmesidir, bu da bir güçlendirici ile belirli bir gen arasındaki büyük araya giren genomik mesafelere rağmen transkripsiyon faktörlerinin gen ekspresyonunu uyarmasını sağlar.57.

Genomların 3B organizasyonunun incelenmesi, araştırmacıların farklı DNA bölgeleri arasındaki etkileşimlerin frekanslarını çıkarmasına olanak tanıyan kromozom konformasyon yakalama (3C) adı verilen bir yaklaşımla devrim yaratmıştır.8. Bu tür yaklaşımlar, arttırıcı-gen etkileşimlerinin tercihen topolojik olarak birleşen alanlar (TAD’ler) olarak adlandırılan çekirdekteki ‘yalıtılmış’ genomik komşuluklarda meydana geldiğini gösterir.9. Çoğu TAD, CTCF olarak adlandırılan bir DNA bağlayıcı proteinin ve halka ekstrüzyonu olarak bilinen bir işlemi çalıştıran bir tür moleküler motor olan kohesin adı verilen halka şeklindeki bir protein kompleksinin ortak etkisi ile oluşturulur.10. Bu süreçte kohezin, DNA’ya bağlanır ve onu, bir iğnenin deliğinden iplik geçirmenin bir ilmek oluşturmasına benzer şekilde ekstrüde eder (Şekil 1). Bu ekstrüzyon, kohezin, ilmek ekstrüzyonu için bir “barikat” oluşturan ve onu durduran CTCF’ye bağlı DNA ile karşılaşana kadar devam eder.

Şekil 1

Şekil 1 | Genomik katlanmanın izlenmesi. Hua ve diğerleri1 Mikro-Capture-C (MCC) adı verilen kromozom konformasyon yakalama (3C) olarak adlandırılan bir yöntemin yeni bir versiyonunu geliştirdiler. Bu yöntem, geliştiriciler (gen ekspresyonunu destekleyebilen düzenleyici diziler) ve genler gibi lineer genom dizisinde birbirinden çok uzak olan etkileşimli DNA bölgelerini belirleyebilir. MCC, genomun farklı bölümlerinden DNA baz çiftleri arasındaki etkileşimleri saptayabilir; bu, diğer 3C türleri için daha önce mümkün olandan önemli ölçüde daha kesindir. Yazarlar, farelerde kök hücreleri ve eritroid hücreleri (öncül kırmızı kan hücreleri) incelemek için MCC’yi kullandılar. Bulguları, farklı hücre tiplerinde farklı baz çifti gen kalıpları ve güçlendirici etkileşimleri için kanıt sağlar. Sonuçlar, uzak genomik konumlardan gelen DNA’nın, DNA döngüleri oluşturmaya yardımcı olan kohesin adı verilen halka şeklindeki bir protein kompleksi tarafından yakınlaştırıldığı bir modelle tutarlıdır.10. DNA bağlayıcı protein CTCF, bu döngüleri, etkileşimlerin meydana geldiği ‘yalıtılmış’ genomik mahalleler halinde düzenler.10. Adenin (A), timin (T), guanin (G) veya sitozin (C) gibi bireysel bazlar düzeyinde DNA etkileşimlerinin yerlerini belirleme yeteneği, transkripsiyon faktörleri olarak adlandırılan DNA bağlayıcı proteinlerin gen ekspresyonunu nasıl kontrol ettiğine ışık tutar.

TAD’lerin, TAD sınırları boyunca DNA etkileşimlerini engelleyerek genleri ve güçlendiricileri ‘tuzağa düşürdüğü’ ve böylece eşleşen güçlendirici-gen çiftlerinin birbirini bulma olasılığını artırdığı düşünülmektedir. Bununla birlikte, şimdiye kadar, 3C teknolojisi, baz çifti ölçeğinde genler ve güçlendiriciler arasındaki fiziksel temasların doğasını tanımlayamadı – bu, DNA ile genleri etkileyen anahtar transkripsiyon faktörleri arasındaki etkileşimlerin kesinliği ile eşit olacaktır. ifadesi belirlendi. Hua ve diğerleri şimdi yazarların Micro-Capture-C (MCC) olarak adlandırdığı bir 3C sürümü geliştirerek bu çözünürlük açığını kapatın.

3C metodolojisinin daha önce geliştirilmiş versiyonuna dayanarak11, yazarlar, tanımlanabilecek DNA etkileşimlerinin çözünürlüğünü çarpıcı biçimde artıran önemli teknik iyileştirmeler yaptılar. Tüm 3C teknikleri gibi, MCC de etkileşimleri, DNA’nın etkileşen bölgeleri arasında bağlar oluşturan kimyasal çapraz bağlama yoluyla yakalar. Çapraz bağlı DNA daha sonra daha küçük parçalara bölünür, bundan sonra etkileşimler, nükleer alanda birbirine yakın olan etkileşimli DNA ipliklerini birbirine yapıştırarak (bağlayarak) yakalanır.

DNA’yı küçük parçalara ayıran moleküler ‘makas’ çifti için MCC, DNA’yı DNA dizilerinden bağımsız olarak çoğunlukla rastgele bir şekilde parçalayan mikrokokal nükleaz (MNase) enzimini kullanır. Bu, DNA sindirimi için diziye özgü enzimler kullanılarak elde edilenlerden çok daha küçük DNA parçalarının üretilmesini sağlar. Yaklaşım, daha önce 3C teknolojisinin başka bir sürümü için gösterildiği gibi çözünürlüğü artırmaya yardımcı olur12. En önemlisi, Hua ve meslektaşları, MNase tarafından DNA parçalanmasının, daha yoğun DNA üzerinde daha az yoğunlaştırılmış DNA (eksprese edilen genleri içeren bölgelerin özelliği) için küçük bir tercihle, sindirilen DNA açısından herhangi bir büyük önyargıya sahip olmadığını göstermektedir.

Etkileşen DNA’nın bağlanmış bölgelerine karşılık gelen DNA fragmanları kısadır ve fragmanın tam dizisi belirlenebilir, bu da, yakalanan her etkileşim için ligasyon bağlantısının tam konumunun bilindiği anlamına gelir. Bu nedenle MCC, tam olarak ligasyon bağlantısındaki baz çiftlerinin etkileşimli bölgeler olarak tanımlanmasını sağlar. Bu, çözünürlük açısından ileriye doğru büyük bir sıçrama sunuyor. Hua ve meslektaşlarının yaklaşımı aynı zamanda DNA-bağlayıcı-protein ‘ayak izlerinin’ (bu tür proteinlerin bağlandığı DNA bölgeleri) tespit edilmesini sağlar çünkü proteinlere bağlanan DNA, MNase tarafından sindirimden korunur.

Yazarlar, bizi bu heyecan verici tekniğe tanıtmanın yanı sıra, embriyonik kök hücreler ve farelerden alınan öncü kırmızı kan hücreleri kullanılarak 3D genom katlanmasının birkaç temel yönünün araştırılmasında MCC’yi hemen kullanmaya başladılar. Dikkat çekici bir şekilde, güçlendiriciler, genler ve CTCF-bağlanma bölgeleri arasındaki etkileşimler, daha önceki 3C formları için tipik olan daha geniş etkileşim bölgeleri yerine, DNA etkileşim bölgelerine ilişkin verilerde yüksek oranda lokalize sinyaller (keskin tepeler) olarak meydana geldi. Önceki gözlemlerle tutarlı13, genleri içeren bu tür ayrık etkileşimler neredeyse her zaman (zamanın yaklaşık %87’si) TAD’lerde meydana geldi. MCC tarafından ortaya çıkarılan kesin temaslar genellikle hücre tipine özgüydü ve belirli hücre soylarının kimliğini şekillendirmek için önemli olan transkripsiyon faktörlerinin bağlanmasıyla ilişkilendirildi. Yazarlar, bir güçlendirici-gen etkileşim bölgesinin merkezinde bir transkripsiyon faktörü bağlanma bölgesini mutasyona uğrattıysa, bu, MCC tarafından tespit edilen bir etkileşimin lokalize kaybıyla ve transkripsiyon faktörü bağlanma bölgesinin bulunduğu hücrelere kıyasla genin ekspresyonunun azalmasıyla sonuçlandı. sağlamdı. Bu bulgular, transkripsiyon faktörlerinin, transkripsiyonel kontrolde yer alan oldukça spesifik 3B genom katlama modellerinin korunmasından sorumlu olduğunu göstermektedir.

CTCF için bağlanma bölgelerinin genomik lokasyonları, farklı hücre tiplerinde çoğunlukla aynıdır. Bu, CTCF ve kohezin tarafından düzenlenen döngü ekstrüzyonunun dokuya özgü DNA etkileşimlerine nasıl katkıda bulunduğu sorusunu gündeme getiriyor. Hua ve diğerleri. CTCF’ye bağlı DNA bölgeleri arasındaki temasların, DNA’nın araya giren bölgeleri daha fazla sayıda aktif olarak kopyalanmış gen ve geliştiriciye sahip olduğunda arttığını bildirmektedir. Yazarlar, hem kohezin hem de DNA’ya kohezin yükleyebilen Nipbl adlı bir proteinin, daha az aktif genlerdeki ve bunların güçlendiricilerindeki mevcudiyetleriyle karşılaştırıldığında, aktif genlerde ve bunların güçlendiricilerinde zenginleştiğini göstermektedir. Bu veriler, aktif genler ve geliştiriciler üzerine hücre tipine özgü kohezin yüklenmesinin, hücre tipinde değişmez CTCF ‘barikat’ bölgelerine doğru döngü ekstrüzyonuna yardımcı olduğu bir modeli desteklemektedir – önceki gözlemlere iyi uyan bir fikir1416 bu kohezin güçlendirici-gen etkileşimlerine yardımcı olur.

İlk bakışta, MCC yöntemindeki bireysel teknolojik yenilikler bir araya getirildiğinde devrim niteliğinde görünmese de, alanın uzun süredir beklediği bir şeyi sunuyorlar: hangi DNA bazlarının uzun menzilli genomik etkileşimlere aracılık ettiğini tam olarak tespit etmenin bir yolu. Bu ayrıntı düzeyi, birden fazla gen ve düzenleyici eleman içeren karmaşık genomik bölgelerde bulunanlar ve güçlendirici-gen etkileşimlerinin kısa aralıklarda (20 kilobaz DNA’dan daha az) meydana geldiği yerler de dahil olmak üzere, gen düzenlemesini içeren süreçlerin yüksek çözünürlüklü diseksiyonunu mümkün kılacaktır. Hua ve meslektaşlarının yöntemi, genom ölçeğinde analizlere izin vermese de, yaklaşım gelecekte bunu mümkün kılmak için uyarlanabilir. Ayrıca, MCC’nin sunduğu baz çifti çözünürlüğü, düzenleyici proteinlerin 3D genom mimarisini nasıl kurduğunu ve sürdürdüğünü araştırmak için onu çekici bir araç haline getiriyor.

MCC, düzenleyici elemanlardaki hastalıkla ilişkili genetik dizi varyantları ve bunların hedef genleri arasındaki bağlantıların araştırılması için de idealdir. Böyle bir varyasyonun transkripsiyon faktörlerinin bağlanmasını bozabileceği ve genellikle gen ekspresyonu üzerinde ince etkileri olduğu göz önüne alındığında, MCC’nin nicel doğası ve ayak izi kapasitesi bu tür araştırmalar için son derece değerli olacaktır.

Rekabetçi İlgi Alanları

Yazarlar rakip çıkarlar beyan etmez.

Profesör

Bir çocuğun kalp sağlığına doğumdan önce nasıl karar verilebilir?

Previous article

NORAD kaynaklı Pumilio faz ayrımı, genom stabilitesi için gereklidir

Next article

You may also like

Comments

Comments are closed.

More in Gündem