Bilim adamları, Yaşam 'Açılmadan' Önce İnşa Edilen Gizli DNA İskelesini Keşfediyor

Yaşamın ilk anlarında, embriyo kendi kendini kullanmaya başlamadan önce DNAgenomu şimdiden sessizce olağanüstü bir şey inşa ediyor.

Genler devreye girip gelişimi yönlendirmeye başlamadan çok önce, DNA Kendisini karmaşık bir üç boyutlu iskele şeklinde katlıyor; genomu eyleme hazırlayan gizli bir mimari.

Şimdi bilim insanları, güçlü ve yeni bir teknoloji kullanarak daha önce görünmez olan bu çerçeveyi ortaya çıkardılar ve yaşamın genetik talimatlarının daha okunmadan çok önce organize edilebileceğini ortaya çıkardılar.

Keşif, yayınlandı Doğa Genetiği, Genomların nasıl uyandığına dair uzun süredir devam eden varsayımlara meydan okuyor ve yaşamın planının ortaya çıktığını öne sürüyor. genetik Etkinlik, perde açılmadan önce hazırlanan bir sahne gibi önceden hazırlanır.

Birleşik Krallık'taki MRC Tıp Bilimleri Laboratuvarı'nda ortak yazar ve araştırmacı olan Noura Maziak, "Genomun uyanmasından önceki zamanı bir kaos dönemi olarak düşünürdük" dedi. basın bülteni. "Fakat daha önce hiç olmadığı kadar yakından bakınca, buranın aslında son derece disiplinli bir inşaat alanı olduğunu görebiliyoruz. Genomun iskelesi, 'açık' düğmesi tamamen çevrilmeden çok önce hassas, modüler bir şekilde kuruluyor."

Yaşamın genetik "kapalı" durumunun gizemi

Her çok hücreli organizma, her iki ebeveynden de DNA taşıyan tek bir döllenmiş yumurta olarak başlar. Fakat başlangıçta bu DNA büyük ölçüde sessiz kalıyor. Bunun yerine erken gelişim, anneden gelen yumurtada zaten mevcut olan moleküler talimatlarla kontrol edilir.

Zigotik genom aktivasyonu veya ZGA olarak bilinen önemli bir anda embriyo kontrolü ele alır ve ilk kez kendi genlerini açar.

Onlarca yıldır bilim insanları bu geçişten önce şunu varsayıyordu: DNA nispeten düzensiz bir durumdaydı; işlevsel yapılara dönüşmeden önce aktivasyon sinyallerini bekliyordu. Ancak bu son araştırma bu görüşü tersine çeviriyor.

Pico-C adı verilen yenilikçi bir görüntüleme tekniği kullanan bilim insanları şunu keşfetti: DNA genler etkinleştirilmeden çok önce karmaşık döngülere ve alanlara katlanmaya başlar. Bu yapılar, genomu, açıldığında verimli bir şekilde çalışabilmesi için organize eden bir yapı iskelesi görevi görüyor gibi görünüyor.

​Araştırmacılar, "Beklenmedik bir şekilde, Pico-C haritalarımız büyük ZGA dalgasından önce oldukça dinamik bir genomu ortaya koyuyor" diye yazıyor. "NC9 kadar erken bir zamanda görülebilen zen ve zen2 genlerindeki gibi erken döngü olaylarını ve ftz etrafındaki papyon yapısı ve Antennapedia geni içindeki bağlama elemanları gibi karmaşık konformasyonların oluşumunu yakalıyorlar."

Başka bir deyişle, DNA pasif bir şekilde beklemiyor. Hazırlanıyor.

Çığır açan teknoloji bir DNA sırrını ortaya çıkarıyor

Keşfin merkezinde, son derece küçük sayıda hücreden bile genom mimarisini benzeri görülmemiş ayrıntılarla haritalayabilen güçlü yeni bir teknik olan Pico-C yer alıyor.

Geleneksel yöntemler büyük örnekler gerektiriyordu ve erken gelişimi gözlemlemek için gereken zamansal çözünürlükten yoksundu. Pico-C, bilim adamlarının ultra yüksek çözünürlüklü haritalar oluşturmasına olanak tanıyarak bunu değiştirdi.DNA 60.000 kadar az çekirdek içeren embriyoların katlanması.

Bu, araştırmacıların erken gelişim sırasında genomun adım adım yeniden düzenlendiğini gözlemlemelerine olanak sağladı.

Araştırmacılar, "NC9'dan NC14'e kadar fazlar arası aşamalı embriyoların yüksek çözünürlüklü haritalarını oluşturmamıza olanak tanıyan, düşük girdili bir Mikro-C yöntemi olan Pico-C'yi geliştirdik. Bu haritalar, majZGA'dan (majör genom aktivasyonu) çok önce, NC9 kadar erken (erken nükleer döngüler) dinamik kromatin etkileşimlerini yakalıyor" dedi.

Araştırmacıların gördükleri şaşırtıcıydı. DNA döngüleri (genomun uzak kısımlarını temasa geçiren yapılar) erkenden ortaya çıktı ve embriyo genom aktivasyonuna yaklaştıkça giderek güçlendi.

Bu döngüler, hangi genlerin ne zaman aktive edileceğini düzenlemeye yardımcı olur ve esas olarak genomun gelecekteki aktivite için önceden hazırlanmasını sağlar.

Genom açılmadan önce kendini inşa ediyor

En çarpıcı bulgulardan biri, genom organizasyonunun gen aktivasyonunun bir sonucu olmadığı, ondan önce geldiğiydi. Bu, yapısal organizasyonun yaşamın genetik programları için bir yan ürün değil, bir ön koşul olduğunu göstermektedir.

Çalışma, DNA mimarisinin, kromatini şekillendirmeye yardımcı olan öncü faktörler adı verilen özel proteinler de dahil olmak üzere moleküler düzenleyicilerin karmaşık bir etkileşimi yoluyla ortaya çıktığını buldu. DNA ve kromozomları oluşturan proteinler.

Araştırmacılar şöyle yazıyor: "Sonuçlarımız toplu olarak, erken genom oluşumunun çoklu, birleşen düzenleyici işaretlerle şekillendirilen modüler ve dinamik bir süreç olduğunu vurguluyor."

Bu düzenleyici sistemler katlanmak için birlikte çalışır DNA Genler RNA ve protein üretmeye başlamadan önce bile fonksiyonel konfigürasyonlara dönüşürler. Aslında genom kendi altyapısını önceden oluşturur.

DNA mimarisi genetik kaderi etkiler

Bu bulguların sonuçları temel biyolojinin çok ötesine uzanıyor. Araştırmacılar, genom yapısının nasıl oluştuğunu analiz ederek, spesifik DNA dizilerinin ve moleküler sinyallerin, genomun nasıl katlanacağını belirlediğini buldu.

Yapay zeka modellerini kullanarak şunu gösterdiler: DNA kendisi kendi üç boyutlu mimarisine ilişkin talimatları kodlar.

Aktif genlerle ilişkili bölgeler özellikle güçlü bir yapısal etkiye sahipti; bu da DNA'nın gelecekteki faaliyetlerine rehberlik edecek yerleşik talimatlar içerdiğini gösteriyor. Bu, genom katlanmasının rastgele olmadığı, programlandığı anlamına gelir.

Araştırmacılar, "Drosophila'daki genom mimarisi, her faktörün kromatin mimarisine benzersiz bir şekilde katkıda bulunduğu birden fazla faktör tarafından ek olarak kodlanıyor" diye açıkladı.

Bu keşif, hücrelerin hangi genleri ne zaman etkinleştireceğini nasıl bildiğini açıklamaya yardımcı olarak tek bir hücreden karmaşık bir organizmaya doğru gelişmeyi yönlendiriyor.

Yaşamın başlangıcını anlamada yeni bir sınır

Her ne kadar çalışma, genetikte klasik bir model organizma olan meyve sineği embriyolarına odaklanmış olsa da, sonuçlar böceklerin çok ötesine uzanıyor.

​Genom paketlemeyi, düzenlemeyi ve aktivasyonu yöneten temel kuralların çoğu, insanlar da dahil olmak üzere türler arasında korunur. Genomun, yaygın gen aktivitesi başlamadan önce üç boyutlu bir "iskele" oluşturabildiğini gösteren çalışma, embriyoların ilk etapta nasıl güvenilir bir şekilde geliştiğinden, gelişimsel bozukluklarda koreografinin yanlış gitmesi durumunda ne olacağına kadar biyolojinin en ısrarcı sorularından bazılarına yeni bir bakış açısı sunuyor.

​Bu aynı zamanda bilim adamlarının, düzenleyici mekanizmalar yanlış çalıştığında genetik hastalıkların nasıl ortaya çıktığına ve hücrelerin farklı dokularda uzmanlaştıkça kimliklerini nasıl "seçtiğine" dair anlayışlarını da keskinleştirebilir.

​Zamanla, bunun gibi içgörüler, genomun yerleşik mimarisine karşı çıkmak yerine onunla nasıl çalışılacağını açıklığa kavuşturarak gen terapisine ve rejeneratif tıbba bile bilgi sağlayabilir.

Araştırma aynı zamanda biyolojiyle ilgili daha derin bir gerçeği de ortaya çıkarıyor: Yaşam, aktif hale gelmeden önce kendisini yapısal olarak organize etmeye başlıyor.

DNA'nın, genleri aktive etmeden önce gizli bir iskele oluşturduğunun keşfi, bilim adamlarının erken gelişimi anlama biçiminde büyük bir değişimi temsil ediyor.

Kaotik ve yapısal olmayan bir şey yerine, genom önceden dikkatlice organize edilmiştir; tıpkı bir inşaat alanının iş başlamadan önce çerçevesini oluşturması gibi.

Araştırmacılar, "Birlikte, çalışmamız hem ortogonal hem de işbirlikçi çeşitli düzenleyici girdilerin erken gelişimde sağlam kromatin mimarisini nasıl yönlendirdiğini incelemenin temelini atıyor" dedi.

Pico-C gibi yeni teknolojiler DNA'nın gizli mimarisini aydınlatmaya devam ettikçe, bilim insanları yaşamın nasıl başladığına dair eşi benzeri görülmemiş bir anlayış elde ediyor; yalnızca gen düzeyinde değil, bizzat yapı düzeyinde de.

Anlamlı bir şekilde, eğer Pico-C haklıysa, o zaman embriyonun ilk "benlik" eylemi, bir gen aktivitesinde patlama değil, düzenin sessiz bir şekilde bir araya gelmesi olabilir; DNA, tek bir satır söylenmeden önce kendisini hazır bir aşamaya katlar.

Hayatın sadece dizilerle değil ilişkilerle de kodlandığını hatırlatıyor. Neyin yanında duran, neyin dokunduğu, neyin ayrı tutulduğu ve neyin tam olarak doğru anda bir araya getirildiği.

Bunun ilgi çekici, neredeyse felsefi anlamı şudur: Yaşam başlamadan önce, olacağı şey olacak şekilde ayarlanmıştır.

Tim McMillan emekli bir kolluk kuvveti yöneticisi, araştırmacı muhabir ve The Debrief'in kurucu ortağıdır. Yazıları genellikle savunma, ulusal güvenlik, İstihbarat Topluluğu ve psikoloji ile ilgili konulara odaklanmaktadır. Tim'i Twitter'da takip edebilirsiniz: @LtTimMcMillan. Tim'e e-posta yoluyla ulaşılabilir: [email protected] veya şifreli e-posta yoluyla: [email protected]