وعلى عكس الصورة التي حصلوا عليها، فإن جزيئات الحمض النووي الموجودة في نواة الخلية لا تطفو في مركزها ولا تملأ معظم حجمها
إذا أتيحت لك الفرصة لفتح كتاب علم الأحياء وتصفح الفصول التي تصف كيفية تنظيم الحمض النووي في نواة الخلية، فربما هاجمك شعور طفيف بالجوع: صورة سلاسل الحمض النووي في النواة - خيوط طويلة تطفو في سائل - قد يذكر البعض منا بوعاء غني من الرامن أو حساء الدجاج مع كمية سخية من المعكرونة. قريبا ربما سنضطر إلى ذلك التخلي عن نموذج "وعاء رامين". - رغم أن الأمر قد يكون مغريًا - هذا ما أظهرته دراستان جديدتان أجراهما علماء معهد وايزمان للعلوم. هذا ليس مجرد عرض تقديمي بياني، فالترتيب المكاني للحمض النووي في النواة ضروري لفهم عمليات التعبير الجيني والتحكم - وما قد يحدث عندما لا تعمل هذه العمليات بشكل صحيح. الدراسات هي نتيجة للتعاون الوثيق بين المجموعة التجريبية للبروفيسور. طليلة فولك من قسم الوراثة الجزيئية ومجموعة البحث النظري للأستاذ د. صموئيل (سام) شافيرن من قسم الفيزياء الكيميائية والبيولوجية.
بدأ كل شيء عندما درس البروفيسور وولك كيفية تأثير القوى الميكانيكية على نواة الخلايا في الأنسجة العضلية ووجد دليلاً على أن تقلصات (وارتخاء) العضلات لها تأثير فوري على أنماط التعبير الجيني. "لسوء الحظ، لم نتمكن من الخوض في هذه النتيجة المثيرة للاهتمام كما أردنا، لأن طرق دراسة نواة الخلية تعتمد على التثبيت الكيميائي للخلايا - وهو الأمر الذي يضعف القدرة على معرفة ما يحدث بالفعل في الخلايا العضلية النشطة والمتقلصة". يقول البروفيسور فولك.
للإجابة على هذه المشكلة، صممت الدكتورة دانا لوربر من مختبر البروفيسور وولك جهازًا يسمح بالوصول إلى نوى الخلايا العضلية في يرقات ذباب الفاكهة الحية: يتم وضع اليرقة الصغيرة الشفافة في فتحة ملليمترية تسمح لها بذلك. لتقليص وإرخاء عضلاته بينما يقوم مجهر فلوري قوي بمسح الطايع وبهذه الطريقة، تمكن الباحثون من تصوير نواة الخلية ومحتوياتها - جزيئات الحمض النووي الطويلة والبروتينات الداعمة المنظمة معًا في بنية تسمى الكروماتين.
أثناء توقع رؤية الحمض النووي منظمًا في نواة الخلية مثل المعكرونة في وعاء من الرامن، تفاجأ الدكتور لوربر والدكتورة داريا أمياد بافلوف، باحثة ما بعد الدكتوراه في مجموعة البروفيسور وولك: بدلاً من جزيئات الكروماتين الطويلة، "الشعرية"، سوف تملأ معظم حجم النواة، فقد رتبت نفسها في طبقة رقيقة نسبيًا مجاورة للجدار الداخلي لغشاء نواة الخلية. وعلى غرار الالتقاء بين الماء والزيت الذي ينتج ظاهرة تعرف باسم "انفصال الطور"، فإن الكروماتين "ينفصل" نفسه عن سائل نواة الخلية ويستقر في جدرانها، بينما يبقى مركز النواة سائلا. يوضح الدكتور لوربر: "كانت النتائج التي توصلنا إليها مفاجئة وغير متوقعة لدرجة أننا اختبرنا أنفسنا مرارًا وتكرارًا لفترة طويلة من الزمن وكررنا التجربة عدة مرات".
ولشرح النتائج بشكل أفضل، قامت الباحثات من مجموعة البروفيسور شافران، مع باحث ما بعد الدكتوراه، الدكتور غوراف باجباي، بتطوير نموذج نظري الذي يزن جميع القوى الفيزيائية المشاركة في ترتيب الكروماتين في النواة. تمكن هذا النموذج من التنبؤ بما رآه الدكتور لوربر والدكتور أمياد بافلوف من خلال عدسة المجهر - قد ينفصل الكروماتين الموجود في النواة عن السائل النووي للخلية ويستقر في الجدران اعتمادًا على كمية السائل الموجود في النواة. .
إذن، من أين أتى نموذج وعاء الرامن في الكتب المدرسية؟ "عندما يقوم العلماء بإعداد عينة من الخلايا لدراسة نواتها تحت المجهر، فإنهم في الواقع يقومون بتسطيحها وبالتالي تغيير حجمها. وقد يتداخل هذا التغيير مع القوى الميكانيكية التي تحدد طريقة تنظيم الكروماتين، كما يقلل المسافة بين قمة النواة وأسفلها"، يوضح البروفيسور شافران.
وللتأكد من أن النتائج ليست مميزة للخلايا العضلية ليرقات ذبابة الفاكهة فقط، تعاون الدكتور لوربر والدكتور أمياد بافلوف مع الدكتور فرانسيسكو رونكتو، من مختبر البروفيسور رونان ألون من قسم علم المناعة، و وقاموا معًا بفحص الظاهرة في خلايا الدم البيضاء الحية والناشئة أيضًا من البشر. على غرار نواة الخلية في ذبابة الفاكهة، تم تنظيم الكروماتين في هذه النوى في الجدران. يضيف الدكتور أمياد بافلوف: "يبدو من هذا الاكتشاف أننا اكتشفنا على ما يبدو ظاهرة بيولوجية عامة وأن ترتيب الكروماتين هذا محفوظ تطوريًا - من الذباب إلى البشر".
تفتح هذه النتائج آفاقًا جديدة ومتنوعة للبحث: هل يتغير تنظيم الحمض النووي في النواة في الحالات المرضية - وهل من الممكن تطوير طرق جديدة للتشخيص المبكر للأمراض بناءً على هذه المعرفة؟ كيف تؤثر القوى الميكانيكية المؤثرة على ترتيب الحمض النووي في النواة على تمايز الخلايا أثناء التطور الجنيني؟ بالإضافة إلى ذلك، فمن المعروف أن درجة صلابة الأسطح التي توضع عليها الخلايا المعدة للبحث قد تؤثر على أنماط التعبير الجيني الخاصة بها. وتظهر النتائج الجديدة أن السبب في ذلك يكمن في التغير في حجم الخلية والنواة والقوى المطبقة عليهما. إن الفهم الأفضل لمجموعة هذه القوى وتأثيرها على أنماط التعبير الجيني قد يساعد في هندسة الأنسجة.
كما شاركت في الدراسة التجريبية الدكتورة أدريانا روفيني من مختبر البروفيسور تاليلا فولك في قسم الوراثة الجزيئية.
