Serwis prasowy / Press Release

press.nencki.gov.pl

Serwis prasowy / Press Release - press.nencki.gov.pl

Gdy stadionem jest DNA, zamiana jednego kibica może wpłynąć na wynik meczu

Czy losy drużyny rozgrywającej mecz życia mogą zależeć od kibica, który opuścił zapełnione trybuny ustępując miejsca komuś innemu? Na stadionie sportowym byłoby to zdarzenie bez precedensu. Tymczasem wewnątrz komórek naszego ciała nie jest rzadkością: podmiana zaledwie jednego nukleotydu w nieaktywnym fragmencie DNA może z czasem doprowadzić do rozwoju choroby. Nareszcie wiadomo, dlaczego tak się dzieje.

 

Genom człowieka liczy ponad trzy miliardy par nukleotydów, czyli specyficznych zasad azotowych. Zaskakujące, ale geny – czyli fragmenty kodujące białka – stanowią w tej puli mniej niż 2%. Genetyków od dawna intrygowała związana z tym faktem zagadka. Skoro tak znaczna część informacji genetycznej jest nieaktywna, dlaczego zamiana w jej obrębie zaledwie jednego nukleotydu może z czasem doprowadzić do rozwoju tej czy innej choroby? Odpowiedź została właśnie znaleziona przez grupę prof. Yijuna Ruana z The Jackson Laboratory for Genomic Medicine (JLGM) w Farmington, USA. W badaniach istotny wkład miał zespół dr. hab. Grzegorza Wilczyńskiego, profesora Instytutu Biologii Doświadczalnej PAN im. M. Nenckiego w Warszawie.

 

DNA w komórkach jest owinięte wokół białek nazywanych histonami. Tak powstają włókna chromatyny, które odpowiadają za upakowanie materiału genetycznego w chromosomy, czyli charakterystyczne struktury powszechnie kojarzone z kształtem litery X.

 

„Na podstawie danych otrzymanych przy zastosowaniu nowoczesnej metody sekwencjonowania DNA nasi amerykańscy koledzy doszli do niezwykle ciekawych wniosków dotyczących trójwymiarowej struktury chromatyny w jądrach komórek człowieka. Naszym zadaniem było zweryfikowanie tych wyników w inny sposób, tzn. za pomocą wyrafinowanych technik mikroskopii fluorescencyjnej i zaawansowanej obróbki komputerowej obrazu”, mówi prof. Wilczyński.

 

Mikroskopowe potwierdzenie wyników grupy amerykańskiej wymagało od polskich naukowców rejestrowania obrazów ze szczególnie dużą rozdzielczością. Na przeszkodzie stała tu jednak sama fizyka: dyfrakcja uniemożliwia zogniskowanie światła do punktu i w praktyce nie można dostrzec szczegółów mniejszych niż połowa długości fali padającej na próbkę. W przypadku mikroskopii optycznej najlepsza rozdzielczość wynosi więc ok. 200 nanometrów. Dlatego w Instytucie Nenckiego sięgnięto po jedną z odmian mikroskopii superrozdzielczej, techniki badawczej, za wynalezienie której przyznano w 2014 roku Nagrodę Nobla. Istota metody wykorzystanej przez badaczy z Instytutu Nenckiego polega na nakładaniu na źródło światła specjalnej siatki dyfrakcyjnej. Obróbka cyfrowa serii zdjęć wykonanych przy różnych położeniach siatki pozwala na dwukrotne zwiększenie rozdzielczości obrazów mikroskopowych.

Drugi sposób obrazowania, użyty przez grupę z Instytutu Nenckiego, łączył mikroskopię rezonansową transferu energii (FRET, Förster Resonance Energy Transfer) z mikroskopią obrazowania czasu zaniku fluorescencji (FLIM, Fluorescence-Lifetime Imaging Microscopy). W technice FRET bada się przepływy energii między cząsteczkami zachodzące bez udziału promieniowania, czyli wtedy, gdy cząsteczki przekazują sobie energię przez zderzenia czy wibracje. Charakterystyczną cechą takich przekazów jest ich bardzo krótki zasięg: maleją aż z szóstą potęgą odległości między cząsteczkami, co oznacza, że można je wykorzystać do obserwacji z dużą rozdzielczością. Z kolei zliczanie fotonów emitowanych przez próbkę pozwala wyznaczyć długość czasu fluoryzowania białek, a ta zmienia się w inny sposób przy przekazach bezpromienistych, a w inny przy przekazach z udziałem promieniowania.

 

Sekwencje otrzymanych obrazów mikroskopowych poddawano następnie wyrafinowanej analizie i przekształcano w trójwymiarowe wizualizacje. Użyto w tym celu własnego, opatentowanego oprogramowania, którego autorem jest dr Błażej Ruszczycki z Instytutu Nenckiego.

 

Polskie pomiary i analizy pozwoliły potwierdzić istnienie ciekawego związku między jednym z białek strukturalnych, CTCF, a enzymem polimerazą RNA II. Białka CTCF łączą się do specyficznych, nieaktywnych fragmentów chromatyny, gdzie pełnią m.in. podobną rolę jak rzepy: mogą się dość trwale łączyć z drugą cząsteczką CTCF przyczepioną do innego miejsca w chromatynie. W wyniku zespolenia białek CTCF w różnych fragmentach chromatyny jej włókna formują trwałe pętle. Z kolei polimeraza RNA II jest enzymem odpowiedzialnym za transkrypcję, czyli przepisywanie informacji zwartej w genie z nici DNA na nową nić RNA. Później, w procesie translacji, na podstawie informacji w niej zawartej powstanie właściwa cząsteczka białka kodowanego przez gen.

 

Badania mikroskopowe w Instytucie Nenckiego wykazały słuszność obserwacji dokonanych przez stronę amerykańską: tam, gdzie ‚rzepy’ z białka CTCF zamykają pętle chromatyny, może się znajdować polimeraza RNA II. Co więcej, enzym nie tylko pojawia się w okolicach ‚sklejek’ włókien chromatyny, ale także pracuje tam, dokonując transkrypcji genów.

 

„…i to wyjaśnia, dlaczego zamiana pojedynczego nukleotydu na inny w nieaktywnym fragmencie łańcucha DNA może spowodować, że człowiek staje się podatny na jakąś chorobę! Jeśli do zmiany dojdzie na przykład w obrębie miejsca wiązania białka CTCF, może ono nie być zdolne do pełnienia roli rzepa. W efekcie któraś z pętli chromatyny może się nie utworzyć, a to oznacza, że zmieniają się geometryczne warunki, w jakich pracuje polimeraza RNA II, odpowiedzialna za transkrypcję genów”, wyjaśnia prof. Wilczyński.

 

Geometria otoczenia wpływa na ekspersję genów, ponieważ może ułatwiać bądź utrudniać innym cząsteczkom dostęp do genu. Sytuacja ta nieco przypomina doznania osób, które w trakcie podróży zatłoczonym autobusem próbują czytać książkę. W tłumie pośrodku pojazdu, gdzie każdy popycha każdego lub próbuje gdzieś przejść, lektura nie należy do przyjemnych. Komfort znacznie wzrasta, gdy można się w miarę wygodnie oprzeć o ścianę. Geometria decyduje więc efektywności czytania – i na analogicznych zasadach we wnętrzach komórek może współdecydować o uaktywnieniu bądź deaktywowaniu tego czy innego genu.

 

Badania strony polskiej były finansowane ze środków Narodowego Centrum Nauki.

 

Instytut Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego Polskiej Akademii Nauk, utworzony w 1918 roku, jest największym nieuniwersyteckim ośrodkiem badań biologicznych w Polsce. Do priorytetowych dziedzin podejmowanych w Instytucie należą: neurobiologia, neurofizjologia, biologia i biochemia komórkowa oraz biologia molekularna – w skalach złożoności od organizmów tkankowych przez organelle komórkowe do białek i genów. W Instytucie działa 40 laboratoriów, m.in. nowoczesnej Mikroskopii Konfokalnej, Cytometrii Przepływowej i Skaningowej, Mikroskopii Elektronowej, Testów Behawioralnych i Elektrofizjologii. Instytut dysponuje nowoczesną aparaturą badawczą i zmodernizowaną zwierzętarnią, pozwalającą na hodowlę zwierząt laboratoryjnych, także transgenicznych, według najwyższych standardów. Poziom prac eksperymentalnych, publikacje i silne związki z nauką światową plasują Instytut wśród wiodących placówek biologicznych Europy.

 

 

 

 

 

 

KONTAKTY:

 

dr hab. Grzegorz Wilczyński, prof. nzw.

Instytut Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego w Warszawie

tel. +48 22 5892355

email: g.wilczynski@nencki.gov.pl

 

 

 

POWIĄZANE STRONY WWW:

 

http://www.nencki.gov.pl/

Strona Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego w Warszawie.

 

http://press.nencki.gov.pl/

Serwis prasowy Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego w Warszawie.

 

 

 

MATERIAŁY GRAFICZNE:

 

Scientists from the Nencki Institute of Experimental Biology of the Polish Academy of Sciences in Warsaw made a significant contribution to the discovery, why replacing just a single nucleotide within the disabled genetic code can sometimes lead to the development of a disease. Pictured above: Dr. Grzegorz Wilczyński's group at the Nencki Institute. (Source: Nencki Institute, Grzegorz Krzyżewski) Naukowcy z Instytutu Biologii Doświadczalnej PAN im. M. Nenckiego w Warszawie pomogli ustalić, dlaczego zamiana zaledwie jednego nukleotydu w nieaktywnym fragmencie DNA może z czasem doprowadzić do rozwoju choroby. Na zdjęciu grupa dr. hab. Grzegorza Wilczyńskiego, prof. Instytutu Nenckiego. (Źródło: Instytut Nenckiego, Grzegorz Krzyżewski)

Nencki160303b_fot01s.jpg                                              

HR: http://press.nencki.gov.pl/wp-content/uploads/2016/03/Nencki160303b_fot01.jpg

Naukowcy z Instytutu Biologii Doświadczalnej PAN im. M. Nenckiego w Warszawie pomogli ustalić, dlaczego zamiana zaledwie jednego nukleotydu w nieaktywnym fragmencie DNA może z czasem doprowadzić do rozwoju choroby. Na zdjęciu grupa dr. hab. Grzegorza Wilczyńskiego, prof. Instytutu Nenckiego. (Źródło: Instytut Nenckiego, Grzegorz Krzyżewski)

 

Nencki160303a – Pętle chromatyny

Category: press