Zespół prof. Pękowskiej, szefowej centrum Dioscuri z Instytutu Nenckiego PAN przyjrzał się dojrzewaniu komórek mózgu. - Kluczem do tego procesu jest zmiana trójwymiarowej struktury DNA w jądrze komórkowym - tłumaczy w rozmowie z PAP badaczka.

Zapłodniona komórka jajowa jest „wszechmocna” - ma w sobie obecne programy pozwalające produkować dowolne białko zapisane w jej DNA. Czy to rodopsynę dla oka, czy to hemoglobinę dla krwi, insulinę dla trzustki czy oksytocynę dla mózgu. W toku embriogenezy możliwości komórki się jednak zawężają. Komórka dorasta i specjalizuje się do pełnienia w organizmie konkretnej funkcji. Dorosła komórka skóry wyglądać więc będzie i działać zupełnie inaczej niż komórka serca czy układu kostnego. A przecież DNA w obu z nich jest takie samo. Jak jednak komórka rozpoznaje swój stopień dojrzałości i swoją tożsamość? I na czym polega dojrzewanie?

DNA to długa i nieźle splątana nić. Gdyby wyprostować DNA zawarte zaledwie w jednym chromosomie, miałoby ono długość 20 cm, a musi się przecież zmieścić w jądrze komórkowym o średnicy mikronów. Nawinięty jest na histony, tworząc chromatynę. Chromatyna jest dalej układana w przestrzeni jądra i spięta w pętle. W miarę dojrzewania chromatyna staje się coraz bardziej zorganizowana i skonsolidowana, a pętle zacieśniają się. Badacze jako pierwsi wykazali, że za tę konsolidację odpowiada współdziałanie trzech elementów: Białka architektonicznego CTCF, białek wiążących RNA oraz niekodującego RNA. Publikacja na ten temat ukazała się w „Nature Cell Biology”.

Białko CTCF Działa jak opaska zaciskowa - trytytka, która zamyka chromatynę w precyzyjne pętle. A białka wiążące RNA i niekodujące RNA działają z kolei jak klej, który usztywnia i stabilizuje pętle DNA utworzone przez CTCF. Dzięki temu w toku embriogenezy trójwymiarowa struktura chromatyny staje się trwała, a tożsamość komórki w miarę dojrzewania zostaje „zablokowana".

Na wczesnym etapie embriogenezy pętle dopiero zaczynają się zawiązywać, są jeszcze luźne. W miarę jak komórka dojrzewa (np. w kierunku komórki nerwowej), komórkowe trytytki coraz ciaśniej się zaciskają.

Prof. Pękowska tłumaczy, że chodzi o to, żeby w ramach jednej pętli zamknięte były kluczowe fragmenty genomu, a dokładniej - geny wraz z ich regulatorami. Takie ułożenie zapewnia ścisłą kontrolę aktywności genów, a co za tym idzie - produkcję białek właściwych dla danego typu komórek. Dzięki temu systemowi geny, których produkty (czyli białka) nie muszą być „pod ręką” w danym typie komórki - pozostają nieaktywne, oddzielone od innych regionów w genomie.

- W przypadku badanych przez nas komórek neuronalnych myszy, owa konsolidacja struktury chromatyny trwa od pierwszych dni rozwoju embrionu do narodzin. Wtedy komórki tracą swoją pluripotencjalność (czyli możliwość stania się dowolną komórką organizmu) i zaczynają się definiować jako bardziej dojrzałe formy – opowiada badaczka.

Zespół opracował również informatyczne narzędzie, które jest w stanie oszacować dojrzałość komórki mierząc to, jak białka tworzące pętle są rozdysponowane w jądrze komórkowym.

- Widzieliśmy, że w miarę embriogenezy pojawiają się subtelne zmiany w organizacji białka CTCF we wnętrzu jądra komórkowego. Chcieliśmy jednak dysponować narzędziem, które w rygorystyczny sposób opisze te różnice - tłumaczy prof. Pękowska. Dlatego o pomoc poprosiła prof. Pawła Dłotko, matematyka i informatyka, szefa innego centrum Dioscuri z Instytutu Matematycznego PAN.

Matematycy zaś zrobili użytek m.in. z analizy topologicznej - działu matematyki, który zajmuje się właściwościami przestrzeni, które nie podlegają zmianie przy rozciąganiu i ściskaniu. - Powstało narzędzie, które pozwala nam na odnajdywanie tożsamości komórek, na podstawie samego obrazu mikroskopowego. Narzędzie pozwala mierzyć gęstość upakowania materiału DNA - wyjaśnia prof. Dłotko.

Analiza matematyczna (wykorzystująca m.in. uczenie maszynowe bez nadzoru) jednoznacznie wykazała, że na podstawie samego sposobu rozmieszczenia CTCF w jądrze można z dużą precyzją odróżnić komórkę embrionalną od bardziej dojrzałej. Potwierdziło to, że zmiana organizacji tego białka jest realnym i mierzalnym wskaźnikiem dojrzałości komórki.

Narzędzie to jest na tyle uniwersalne, że w przyszłości będzie mogło być wykorzystywane w analizie obrazów dowolnych typów komórek, nie tylko w badaniach podstawowych, ale potencjalnie również w diagnostyce.

Badania rzucają nowe światło na choroby związane z nieprawidłową strukturą chromatyny. Należą do nich m.in. syndrom CTCF oraz niektóre nowotwory, np. glejaki, w których obserwuje się wysoką aktywność jednego z niekodujących RNA zidentyfikowanych w badaniu.

Odkrycie pogłębia rozumienie tego, jak powstaje i jest utrzymywana tożsamość komórkowa – jeden z najbardziej podstawowych procesów w biologii.

Współpraca naukowców była możliwa dzięki programowi Dioscuri, który tworzy centra doskonałości naukowej w Polsce we współpracy z niemieckim Towarzystwem Maxa Plancka. Prof. Pękowska (biolog) i prof. Dłotko (matematyk) poznali się w ramach tego programu i dostrzegli, jak ich dziedziny mogą się wzajemnie uzupełniać.

Podkreślili, że takie interdyscyplinarne, ryzykowne projekty (typu „high risk, high gain”) są kluczowe dla dokonywania przełomowych odkryć, ale wciąż stanowią wyzwanie w polskim systemie nauki. Ich sukces pokazuje, jak wielki potencjał drzemie w przełamywaniu barier między dziedzinami i inwestowaniu w badania na styku różnych nauk.

W badaniach brał też udział prof. Jeroen Krijgsveld, ekspert analizy proteomicznej z Niemieckiego Centrum Badań nad Rakiem w Heidelbergu, który pomógł odkryć białkowych partnerów CTCF, a specjaliści mikroskopii superrozdzielczej, kierowani przez prof. Timo Zimmermanna, w Europejskim Laboratorium Biologii Molekularnej w Heidelbergu, umożliwili dostrzeżenie wpływu rozwoju na to, jak białko CTCF jest rozłożone w jądrach komórek.

Badania zrealizowano w ramach grantu OPUS NCN oraz grantu Dioscuri.

Ludwika Tomala (PAP)

lt/ agt/