Budowanie funkcjonalnych chromosomów w celu poznania mechanizmów replikacji chromatyny
Genetyka zajmuje się dziedziczeniem sekwencji DNA, epigenetyka natomiast koncentruje się na tym, w jaki sposób ekspresja tych sekwencji jest dziedziczona podczas podziału komórek. Te wzorce ekspresji genów dostarczają informacji o mechanizmie dziedziczenia cech. Kluczowym dla epigenetyki pojęciem jest replikacja chromosomów, która polega na dokładnym kopiowaniu sekwencji DNA z jednoczesnym powieleniem wszystkich elementów, które upakowują DNA i regulują jego ekspresję. Jednak dokładne mechanizmy molekularne leżące u podstaw procesów kopiowania nadal pozostają w dużej mierze niezbadane. Opierając się na wcześniejszym sukcesie w badaniach dotyczących odtwarzania replikacji eukariotycznego DNA przy użyciu drożdży, zespół finansowanego ze środków UE projektu CHROMOREP po raz pierwszy zbadał replikację chromosomów przy użyciu oczyszczonych białek(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „Nasza metoda dostarcza narzędzia, którego wcześniej brakowało, służącego do badania epigenetyki i zbadania jak chromatyna wpływa na miejsca inicjacji i czas replikacji”, wyjaśnia koordynator projektu John Diffley(odnośnik otworzy się w nowym oknie) z Francis Crick Institute(odnośnik otworzy się w nowym oknie) – centrum nauk biomedycznych, które jest gospodarzem projektu.
Dziedziczenie epigenetyczne
Jednym z najważniejszych aspektów epigenetyki na poziomie komórkowym jest dziedziczenie „stanów ekspresji genów”. Dwie komórki mogą mieć identyczne sekwencje DNA, ale w komórce krwi dojdzie do ekspresji innych genów niż w komórce skóry. Choć wiele procesów ekspresji genetycznej ma charakter dynamiczny i są one zapoczątkowywane w każdym cyklu komórkowym przez czynniki transkrypcyjne, niektóre pozostają stabilne przez wiele pokoleń, a zjawisko to jest znane jako dziedziczenie epigenetyczne. Podczas dziedziczenia epigenetycznego podczas replikacji DNA dochodzi do modyfikacji białek histonowych związanych z DNA w struktury zwane nukleosomami. Histony, wraz z wszelkimi modyfikacjami chemicznymi, są następnie ponownie osadzane w tej samej pozycji na chromatydach, czyli „niciach-córkach” DNA. Powstają one po rozdzieleniu podwójnej helisy na dwie pojedyncze nici i skopiowaniu każdej z nich. Na powstałych chromatydach następnie są odtwarzane wzorce ekspresji genów.
Poznanie dokładnych mechanizmów replikacji chromosomów
Zespół projektu CHROMOREP oczyścił wszystkie białka potrzebne do replikacji chromosomów i wywołał ekspresję na nagim DNA(odnośnik otworzy się w nowym oknie), a następnie odtworzył je za pomocą matrycy chromatyny. Naukowcy byli w stanie połączyć około 30 oczyszczonych białek w celu replikacji chromatyny. „Reakcje całkowitej replikacji chromatyny są niezwykle złożone, ponieważ bierze w nich udział wiele ruchomych części. Oczyszczenie i użycie 30 różnych białek to bardzo zaawansowana biochemia”, mówi Diffley. Kompletne replisomy(odnośnik otworzy się w nowym oknie), wraz z białkiem chaperonowym histonów o nazwie FACT(odnośnik otworzy się w nowym oknie), wystarczyły badaczom do przeprowadzenia replikacji chromosomu. Świadczyło o tym ponowne umieszczenie histonów na chromatydach-córkach. Replisomy tworzą mechanizm molekularny odpowiedzialny za replikację DNA. Białka chaperonowe histonów to białka, które wiążą się z histonami, umożliwiając ich transport. „Histony posiadają duży ładunek dodatni, a DNA duży ładunek ujemny, dlatego ich interakcje muszą być »nadzorowane«, by mieć pewność, że występują we właściwym miejscu i czasie”, dodaje Diffley. Wraz z dalszym poznawaniem mechanizmów replikacji chromosomów zespół przewiduje możliwość odtworzenia wzorców replikacji całego genomu, a także wyjście poza systemy wykorzystujące drożdże i rozpoczęcie prac z białkami ludzkimi. „Nasza praca pomaga wyjaśnić dziedziczenie epigenetyczne na poziomie molekularnym, uzupełniając pracę wykonywaną przez innych na całych żywych organizmach. Co najważniejsze, budując funkcjonalne chromosomy, możemy zrozumieć, w jaki sposób powstają nieprawidłowości prowadzące do chorób, takich jak nowotwory”, mówi Diffley.
