يقوم بفك الشفرة الوراثية التي تحدد كيفية تنظيم الحمض النووي في نواة الخلية

نجح باحثون من معهد وايزمان وشيكاغو في فك شفرة مشفرة في تسلسل قواعد الحمض النووي، والتي تحدد القواعد التي سيتم بموجبها وضع النيوكليوسومات على طول الحمض النووي

مجلة المعهد

المادة الوراثية، الحمض النووي، عبارة عن جزيء طويل منظم في نواة الخلية في وحدات مختلفة، بحيث يلتف الحمض النووي في كل وحدة حول كرة من بنية البروتين، تسمى النيوكليوزوم. يتم تنظيم النيوكليوسومات نفسها في بنية منظمة تغطي الكروموسوم بأكمله. ما الذي يحدد كيف ومتى وأين سيتم تشكيل النيوكليوزومات على طول الحمض النووي ووضعها؟ نجح الدكتور عيران سيغال وطالب البحث يائير فيلد من قسم علوم الكمبيوتر والرياضيات التطبيقية في معهد وايزمان للعلوم، بالتعاون مع شركائهم الباحثين من جامعة نورث وسترن في شيكاغو، في فك شفرة، مشفرة في تسلسل قاعدة الحمض النووي، والتي يحدد القواعد التي سيتم بموجبها وضع النيوكليوسومات على طول الحمض النووي. يتم نشر نتائج أبحاثهم اليوم في المجلة العلمية Nature.

من المعروف أن الموقع الدقيق الذي توجد فيه النيوكليوزومات ذو أهمية كبيرة، لأن الجزء الجيني الذي يلتف حول النيوكليوزوم لا يمكن الوصول إليه من قبل العديد من البروتينات، بما في ذلك العوامل المختلفة المسؤولة عن بعض عمليات الحياة الأساسية، بما في ذلك النسخ والنسخ والنسخ. إصلاح الحمض النووي. وهذا يعني، على سبيل المثال، أن عملية التعبير الجيني لا يمكن أن تبدأ في الجزء النووي، وبالتالي فإن موقع النيوكليوسومات يحدد ويحد من المناطق التي يمكن أن تحدث فيها العمليات الأساسية. يعد هذا قيدًا كبيرًا، لأن معظم الحمض النووي يلتف حول الجسيمات النووية: تتضمن الحلقة الجينية للجسيم النووي حوالي 150 قاعدة وراثية ("الحروف" التي تشكل التسلسل الجيني)، بينما توجد بين النيوكليوزوم والجسيم النووي منطقة وراثية حرة ( حيث يمكن أن تبدأ، على سبيل المثال، عملية النسخ)، ويبلغ طولها حوالي 20 قاعدة فقط.

لسنوات عديدة كان هناك نقاش في المجتمع العلمي حول مسألة ما إذا كان يتم تحديد مواقع النيوكليوسومات على طول الحمض النووي أم لا من خلال التسلسل الجيني نفسه. تمكن الدكتور سيجال وأعضاء مجموعته البحثية من إثبات أن التسلسل الجيني يتضمن رمزًا يخبر الحمض النووي بمكان تنظيم نفسه في الجسيمات النووية. كما قاموا أيضًا بفك تشفير هذا الرمز في خلايا الخميرة، وكانوا قادرين على التنبؤ بدقة كبيرة، باستخدام تسلسل الحمض النووي فقط، بالأماكن التي سيتم تعبئة المادة الوراثية فيها في النيوكليوزومات.

قام الدكتور سيجال وشركاؤه في البحث بقياس حوالي 200 مكان على طول الحمض النووي حيث توجد النيوكليوزومات، وتساءلوا عما إذا كانت هذه التسلسلات الـ 200 لها خصائص مماثلة. وباستخدام التحليل الاحتمالي للتسلسلات الـ 200، وجدوا أن هذه الأجزاء الجينية تشترك في العديد من السمات المشتركة، وبالتالي اكتشفوا وتوضيح الكود الذي يحدد مكان وجود النيوكليوسومات. ويتم التعبير عن الكود نفسه بوجود "كلمة كود" جينية معينة، تكرر نفسها كل 10 قواعد على التسلسل الجيني، وتؤثر على قدرة الحمض النووي على الانطواء إلى بنية كروية، كما هو مطلوب من الحمض النووي الملتف لتكوين هيكل كروي. تشكل النيوكليوزوم. كلما ظهر عدد أكبر من هذه "الكلمات الرمزية"، زادت فرصة طي الحمض النووي في ذلك المكان وتكوين جسيم نووي. ولفك تشفير هذا الرمز، قام العلماء ببناء نماذج احتمالية تميز سلسلة من التسلسلات الجينية القادرة على الطي وتشكيل الحلقات النووية. بعد ذلك، قاموا بتطوير خوارزمية (وصفة حسابية) قادرة على معالجة المعلومات الموجودة في التسلسل الجيني للكروموسوم بأكمله، والتنبؤ بالأماكن التي ستتشكل فيها النيوكليوسومات وتتواجد فيها على طول طولها. وكانت هذه التنبؤات قادرة على التنبؤ، بدرجة جيدة من الدقة، بموقع النيوكليوزومات في النظام الحي، في خلايا الخميرة.

وأظهرت نتائج الدراسة أيضًا أنه طوال التطور، تعلمت خلايا الخميرة استخدام الكود النووي لمساعدة نفسها في العديد من العمليات الأساسية. على سبيل المثال، أحد الألغاز العظيمة في البيولوجيا الجزيئية هو كيف تتمكن الخلايا من توجيه عوامل النسخ بدقة إلى مواقع معينة على الحمض النووي، والتي من المهم بالنسبة لها الارتباط بها، وليس إلى مواقع أخرى، لها نفس التوافق الهيكلي. التي تظهر بالصدفة في أماكن كثيرة على طول الحمض النووي AN ويكمن اللغز في أن مواقع الربط هذه قصيرة، وتظهر في أماكن كثيرة على الكروموسوم، ولا تحتوي على معلومات عن أهمية الموقع. أظهر العلماء أن المعلومات الأساسية حول أهمية الموقع مشفرة، جزئيًا على الأقل، في الكود الذي وجدوه: المواقع المهمة موجودة في شرائح وراثية خالية من النيوكليوزومات، وهي حقيقة تسمح بالوصول إلى عوامل النسخ المختلفة. من ناحية أخرى، فإن المواقع العشوائية التي تتميز بنفس التشكل الهيكلي (وبالتالي قد تضلل عوامل النسخ)، تقع في الأجزاء التي تتشكل فيها النيوكليوزومات وتقع، وبالتالي لا يمكن الوصول إليها لعوامل النسخ.

وبما أن البروتينات التي تشكل النيوكليوزومات هي من بين البروتينات الأكثر حفظًا في التطور، يفترض العلماء أن الكود المكتشف محفوظ أيضًا في العديد من الحيوانات الأخرى، بما في ذلك البشر. العديد من الأمراض، بما في ذلك السرطان، تكون مصحوبة بل وتسببها تغيرات غير مرغوب فيها (طفرات) في تنظيم الحمض النووي في الكروموسومات. وقد تتأثر هذه العمليات بوصول الحمض النووي إلى عوامل التضاعف والنسخ، وتنظيم المادة الوراثية في النيوكليوزومات. ولذلك، يعتقد العلماء أن الكود الذي اكتشفوه قد يساعد أيضًا في المستقبل في فهم الآليات التي تسبب العديد من الأمراض.