'לובי' שבו אספסוף מולקולות אומר לגנים מה לעשות | מגזין קוונטה

הגילוי במהלך פרויקט הגנום האנושי בתחילת שנות ה-2000 כי לנו, בני האדם יש רק כ-20,000 גנים מקודדי חלבון - בערך כמו תולעת הנמטודות הקטנה השוכנת באדמה, ופחות מחצי מצמח האורז - הגיעה בהלם. . המכה הזו בגאווה שלנו התרככה, עם זאת, על ידי הרעיון שהגנום האנושי עשיר בקשרים רגולטוריים. הגנים שלנו מקיימים אינטראקציה ברשת צפופה, שבה חלקי DNA והמולקולות שהם מקודדים (RNA וחלבונים) שולטים ב"ביטוי" של גנים אחרים, ומשפיעים אם הם מייצרים את ה-RNA והחלבונים שלהם. כדי להבין את הגנום האנושי, היינו צריכים להבין את התהליך הזה של ויסות גנים.

אולם המשימה הזו מתגלה כהרבה יותר קשה מפענוח רצף הגנום.

בתחילה, עלה חשד שוויסות גנים היה עניין פשוט של תוצר גן אחד שפועל כמתג הפעלה/כיבוי של גן אחר, בצורה דיגיטלית. בשנות ה-1960 הביאו לראשונה הביולוגים הצרפתים פרנסואה ג'ייקוב וז'אק מונוד. תהליך ויסות גנים בפירוט מכניסטי: ב חיידקי Escherichia חיידקים, כאשר חלבון מדכא נקשר לקטע מסוים של DNA, הוא חוסם את השעתוק והתרגום של חבילת גנים סמוכה המקודדת לאנזימים לעיכול הסוכר הלקטוז. מעגל הרגולציה הזה, שמונוד ויעקב כינו אותו לאק לאופרון, יש היגיון מסודר ושקוף.

אבל וויסות גנים במטאזואים מורכבים - בעלי חיים כמו בני אדם, עם תאים איקריוטיים מורכבים - לא נראה בדרך כלל עובד כך. במקום זאת, היא כוללת כנופיה של מולקולות, כולל חלבונים, RNA וחתיכות DNA מכל הכרומוזום, אשר משתפות פעולה איכשהו כדי לשלוט בביטוי של גן.

זה לא רק שלתהליך הרגולציה הזה באאוקריוטים יש יותר שחקנים ממה שנראה בדרך כלל בחיידקים ובתאים פרוקריוטים פשוטים אחרים; נראה שזה תהליך שונה לחלוטין, ומעורפל יותר.

צוות באוניברסיטת סטנפורד, בראשות הביופיזיקאי והביו-מהנדס פולי פורדייס, נראה כי כעת חשפו מרכיב של הצורה המטושטשת הזו של ויסות גנים. העבודה שלהם, פורסם בספטמבר האחרון ב מדע, מציע שה-DNA ליד גן פועל כמעין באר רדודה ללכידת מולקולות רגולטוריות מגוונות, ושומר אותן מוכנות לפעולה, כך שבעת הצורך הן יכולות להוסיף את קולן להחלטה האם להפעיל את הגן.

בארות הרגולציה הללו עשויות מקטעים מוזרים בעליל של DNA. הם מורכבים מרצפים שבהם מתיחה קצרה של DNA, באורך של מאחד עד שישה זוגות בסיסים, חוזרת על עצמה פעמים רבות. ניתן לחבר עשרות עותקים של "חזרות טנדם קצרות" (STR) אלה ברצפים אלה, כמו אותה "מילה" קטנה שנכתבת שוב ושוב.

STRs מצויים בשפע בגנום האנושי: הם מהווים כ-5% מכל ה-DNA שלנו. פעם חשבו שהם היו דוגמאות קלאסיות ל-DNA "זבל" מכיוון ש"טקסט" חוזר של DNA המורכב רק מ-STRs אינו יכול להחזיק כמעט מידע משמעותי כמו, למשל, רצף האותיות הבלתי סדיר המרכיבות משפט זה. מאמר.

ועדיין, STRs הם בעליל לא חסר משמעות: הם נקשרו למחלות כמו מחלת הנטינגטון, ניוון שרירים spinobulbar, מחלת קרוהן וכמה סוגי סרטן. במהלך העשורים האחרונים, הצטברו ראיות לכך שהם יכולים איכשהו לשפר או לעכב את ויסות הגנים. התעלומה הייתה איך הם יכולים להיות כל כך חזקים עם כל כך מעט תוכן מידע.

בקרות מורכבות עבור תאים מורכבים

כדי להבין כיצד STRs משתלבים בתמונה הגדולה של ויסות גנים, בואו ניקח צעד אחורה. גנים מוקפים באופן שגרתי בחתיכות DNA שאינן מקודדות ל-RNA או חלבון, אך יש להם פונקציות רגולטוריות. לגנים של חיידקים יש אזורים "מקדמים" שבהם אנזימי פולימראז יכולים להיקשר כדי להתחיל את השעתוק של DNA סמוך ל-RNA. יש להם גם באופן שגרתי אזורי "מפעיל", שבהם חלבונים מדכאים יכולים להיקשר כדי לחסום שעתוק, ולכבות גן, כמו ב לאק אופרון.

בבני אדם ובאאוקריוטים אחרים, הרצפים הרגולטוריים יכולים להיות רבים יותר, שונים - ומביכים. אזורים הנקראים משפרים, למשל, משפיעים על ההסתברות שתעתוק גן. משפרים הם לעתים קרובות היעדים לחלבונים הנקראים גורמי שעתוק, שיכולים להיקשר כדי להגביר או לעכב את ביטוי הגנים. באופן מוזר, כמה משפרים רחוקים עשרות אלפי זוגות בסיסים מהגנים שהם מווסתים, והם מתקרבים אליהם רק באמצעות סידור מחדש פיזי של לולאות ה-DNA בכרומוזום דחוס.

וויסות גנים אוקריוטי כרוך בדרך כלל בלוקים רגולטוריים רבים ומגוונים של DNA, יחד עם גורם שעתוק אחד או יותר ומולקולות אחרות, כולם מתאספים סביב גן כמו ועדה שהתכנסה כדי להחליט מה עליו לעשות. הם מתכנסים במקבץ רופף וצפוף.

לעתים קרובות, נראה שהמשתתפים המולקולריים גם אינם מקיימים אינטראקציה באמצעות זיווגי "מנעול ומפתח" סלקטיביים מאוד הנפוצים בביולוגיה מולקולרית. במקום זאת הם הרבה פחות בררנים, מקיימים אינטראקציה די חלשה ולא סלקטיבית, כאילו מסתובבים ומקיימים שיחות קצרות אחד עם השני.

למעשה, האופן שבו גורמי שעתוק נקשרים ל-DNA באוקריוטים הייתה בגדר תעלומה. זמן רב ההנחה הייתה שחלק כלשהו של גורם שעתוק חייב להתאים באופן הדוק לרצף "מוטיב" מחייב ב-DNA, כמו חלקים של פאזל. אבל למרות שכמה מוטיבים כאלה זוהו, נוכחותם לא תמיד תואמת היטב את המקום שבו מדענים מוצאים גורמי שעתוק נדבקים ל-DNA בתאים. לפעמים גורמי שעתוק נשארים באזורים ללא מוטיבים, בעוד שכמה מוטיבים שנראים כאילו הם צריכים לקשור חזק את גורמי התמלול נשארים ריקים.

"באופן מסורתי בגנומיקה, המטרה הייתה לסווג אתרים גנומיים בצורה [בינארית] כ'קשורים' או 'לא קשורים'" על ידי גורמי שעתוק, אמר פורדייס. "אבל התמונה היא הרבה יותר ניואנסית מזה." נראה כי החברים הבודדים באותן "וועדות" לפיקוח גנים אינם נוכחים או נעדרים תמיד בפגישותיהם, אלא יש להם הסתברויות שונות להיות שם או לא.

הנטייה של ויסות גנים באאוקריוטים להסתמך על כל כך הרבה אינטראקציות חלשות מגוונות בין קומפלקסים מולקולריים גדולים "היא אחד הדברים שמקשים לשמצה לקבל שליטה על תיאורטית", אמר הביופיזיקאי תומס קולמן מאוניברסיטת קליפורניה, ריברסייד, שכתב פרשנות על הנייר של מעבדת פורדייס עבור מדע. זו תמיהה עמוקה כיצד, מתוך התהליך הכאוטי הזה, צצות החלטות מדויקות לגבי הפעלה וכיבוי של גנים.

מעבר להיגיון המטושטש המסתורי של תהליך ההחלטה הזה, יש גם השאלה איך כל חברי הוועדה בכלל מוצאים את דרכם לחדר הנכון - ואז נשארים שם. בדרך כלל, מולקולות נעות סביב התא על ידי דיפוזיה, מושפעות על ידי כל המולקולות האחרות שמסביב, כגון מים, ומשוטטות בכיוונים אקראיים. אנו עשויים לצפות שהוועדות הרופפות הללו יתפרקו מהר מדי כדי לבצע את עבודתן הרגולטורית.

זה, חושבים פורדייס ועמיתיה, הוא המקום שבו ה-STRs נכנסים לתמונה. STRs נפוצים להפליא באתרי משפרים ב-DNA. במאמרם, החוקרים טוענים שה-STR פועלים כטלאים דביקים שמכנסים גורמי שעתוק ומונעים מהם לסטות.

כוונון עדין של הדביקות

הקבוצה של פורדייס חקרה באופן שיטתי כיצד הבדלים ברצף STR משפיעים על הדבקה של גורמי שעתוק למוטיב מחייב. הם בחנו שני גורמים - אחד משמרים, אחד מבני אדם - שנצמדים למוטיב מסוים של שישה בסיסים. החוקרים מדדו הן את החוזק (או הזיקה) של אותה קשירה והן את הקצב שבו גורמי התעתוק תקועים ובלתי תקועים (קינטיקה) כאשר המוטיב מוקף על ידי STR במקום רצף אקראי. לשם השוואה, הם בדקו עד כמה הגורמים נקשרים בקלות ל-STR בלבד ולרצף DNA אקראי לחלוטין.

"אחד האתגרים הגדולים ביותר של תחום זה הוא להפריד בין אינספור המשתנים המשפיעים על הקישור [גורם שעתוק] במיקום ספציפי של הגנום", אמר דיוויד סוטר, ביולוג מולקולרי במכון הפדרלי השוויצרי לטכנולוגיה לוזאן בשוויץ. צורת ה-DNA, הקרבה למקטעי ה-DNA האחרים והמתח הפיזי במולקולות ה-DNA יכולים לשחק תפקיד בקשירה של גורמי שעתוק. הערכים של הפרמטרים הללו כנראה שונים בכל מיקום בגנום, ואולי גם בין סוגי תאים ובתוך תא בודד לאורך זמן במיקום נתון. "זהו מרחב עצום של משתנים לא ידועים שקשה מאוד לכמת אותם", אמר סוטר.

זו הסיבה שניסויים מבוקרים היטב כמו אלה של צוות סטנפורד הם כל כך שימושיים, הוסיף קולמן. בדרך כלל, כאשר חוקרים צריכים למדוד אינטראקציות חלשות כמו אלה, יש להם שתי אפשרויות: הם יכולים לבצע כמה מדידות מאוד מפורטות ומדויקות במיוחד ולהכליל מהן, או שהם יכולים לקחת הרבה מאוד מדידות מהירות ומלוכלכות ולהשתמש מורכבות מתמטית שיטות סטטיסטיות להסקת תוצאות. אבל פורדיס ועמיתיה, אמר קולמן, השתמשו בהליך אוטומטי מבוסס-שבבים מיקרו-נוזליים כדי לבצע מדידות מדויקות במהלך ניסויים בתפוקה גבוהה "כדי לקבל את הטוב משני העולמות".

צוות סטנפורד מצא שרצפי STR שונים יכולים לשנות את זיקות הקישור של גורמי שעתוק ל-DNA בשיעור של עד פקטור של 70; לפעמים יש להם השפעה רבה יותר על קישור גורמי התעתוק מאשר שינוי רצף מוטיב הקישור עצמו. וההשפעות היו שונות עבור שני גורמי התעתוק השונים שהם בחנו.

אז נראה כי STRs מסוגלים לכוונן את יכולתם של גורמי שעתוק לעגן באתר DNA ובכך לווסת גן. אבל איך, בדיוק?

חדר המתנה ליד גן

החוקרים הבינו שהחלק של גורם שעתוק הקושר DNA עשוי לקיים אינטראקציה חלשה עם STR, כשהחוזק המדויק של זיקה זו תלוי ברצף STR. מכיוון שכריכה כזו חלשה, לא תהיה לה הרבה ספציפיות. אבל אם גורם שעתוק נתפס בצורה רופפת ומשוחרר על ידי STR שוב ושוב, ההשפעה המצטברת היא להשאיר את גורם השעתוק בקרבת הגן כך שיש סיכוי גבוה יותר שייקשר בצורה בטוחה לאזור המוטיב במידת הצורך.

פורדיס ועמיתיה חזו כי STRs פועלים אפוא כ"לובי" או כבאר שבו גורמי שעתוק יכולים להתאסף, באופן חולף ככל שיהיה, ליד אתר קישור רגולטורי. "הטבע החזרתי של STR מגביר את ההשפעה החלשה של כל אתר קישור בודד ממנו הוא עשוי", אמר קונור הורטון, המחבר הראשון במחקר, שכיום הוא דוקטורנט באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי.

לעומת זאת, הוא הוסיף, כמה STRs יכולים לפעול גם כדי למשוך גורמי שעתוק הרחק מרצפים רגולטוריים, ולספוג גורמי שעתוק במקומות אחרים כמו ספוג. בדרך זו, הם יכולים לעכב את ביטוי הגנים.

העבודה, אמר סוטר, "מראה באופן משכנע ש-STRs משפיעים ישירות על קישור של גורמי שעתוק במבחנה". יתרה מכך, צוות סטנפורד השתמש באלגוריתם למידת מכונה כדי להראות שההשפעות שנראו בניסויים במבחנה שלהם מתרחשות גם בתאים חיים (כלומר, in vivo).

אבל רוברט ג'יאן, ביוכימאי בברקלי וחוקר במכון הרפואי הווארד יוז, חושב שאולי מוקדם מדי להיות בטוח איזו השפעה יש לשילוב נתון של גורם STR-תעתוק על ביטוי גנים בתאים אמיתיים.

ג'יאן, חאווייר דרזק ועמיתיהם במעבדה שהם מנהלים יחד בברקלי מסכימים שנראה כי STRs מציעים דרך לרכז גורמי שעתוק ליד אתרי ויסות גנים. אולם מבלי לדעת עד כמה הגורמים צריכים להיות קרובים כדי להפעיל תעתיק, קשה להבין את המשמעות התפקודית של התוצאה הזו. Tjian אמר שהוא רוצה לראות אם החדרת STR לתא חי משפיעה כצפוי על הביטוי של גן מטרה. נכון לעכשיו, אמר, הוא "לא משוכנע ש-STRs בהכרח יהיו היבט מרכזי במנגנונים [רגולטוריים] in vivo".

דקדוק קומבינטורי

חידה אחת מתמשכת היא כיצד מנגנון כזה מספק בצורה מהימנה את סוג הוויסות המדויק של הגנים שתאים זקוקים לו, מכיוון שגם החוזק וגם הסלקטיביות של קשירת גורם השעתוק בתוך בארות STR חלשות. פורדיס חושב שספציפיות כזו של השפעה יכולה להגיע ממקורות רבים - לא רק מהבדלים ברצפי STR אלא גם מאינטראקציות שיתופיות בין גורמי שעתוק וחלבונים אחרים המעורבים ברגולציה.

בהתחשב בכל זה, אמר הורטון, לא ברור שיהיה קל לחזות את ההשפעה של שילוב נתון של גורם STR-תעתוק על הביטוי של גן. ההיגיון של התהליך אכן מעורפל. ו"הדקדוק" של ההשפעה הוא כנראה קומבינטורי, הוסיף הורטון: התוצאה תלויה בשילובים שונים של גורמי שעתוק ומולקולות אחרות.

צוות סטנפורד חושב שאולי 90% מגורמי התעתוק רגישים ל-STRs, אבל שיש הרבה יותר סוגים של גורמי שעתוק בגנום האנושי מאשר סוגים של STRs. "שינוי של רצף STR עשוי להשפיע על הקישור של 20 גורמי שעתוק שונים בסוג התא הזה, מה שיוביל לירידה כוללת בתעתוק של אותו גן קרוב מבלי להשפיע על גורם שעתוק ספציפי כלשהו", אמר הורטון.

אז למעשה, צוות סטנפורד מסכים עם Tjian שוויסות גנים בתאים חיים לא יונע על ידי מנגנון אחד ופשוט. במקום זאת, גורמי שעתוק, אתרי הקישור של ה-DNA שלהם ומולקולות רגולטוריות אחרות עשויים להתכנס לכדי התכנסויות צפופות שמפעילות את השפעתם באופן קולקטיבי.

"כעת ישנן דוגמאות מרובות התומכות ברעיון שאלמנטים של DNA יכולים לצופף גורמי שעתוק עד לנקודה שבה הם יוצרים קונדנסטים עם קופקטורים", אמר ריצ'רד יאנג, ביולוג תאים במכון ווייטהד של המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס. משפרים קושרים גורמי תמלול רבים כדי לייצר את הצפיפות הזו. STRs עשויים להיות מרכיב שעוזר לגייס גורמי שעתוק להתקבץ ליד גן, אבל הם לא יהיו כל הסיפור.

למה לווסת גנים בצורה מסובכת זו, במקום להסתמך על סוג של אינטראקציות חזקות וספציפיות בין חלבונים מווסתים ואתרי DNA השולטים בפרוקריוטים? יתכן שטשטוש שכזה הוא מה שהפך את המטאזואונים הגדולים והמורכבים לאפשריים בכלל.

כדי להיות מינים ברי קיימא, אורגניזמים צריכים להיות מסוגלים להתפתח ולהסתגל לנסיבות משתנות. אם התאים שלנו הסתמכו על איזו רשת ענקית אך קבועה של אינטראקציות מווסתות של גנים, יהיה קשה לבצע בה שינויים מבלי לשבש את כל המתקן, בדיוק כפי ששעון שוויצרי יתפוס אם נסיר (או אפילו מעט נעקור) כל של אינספור גלגלי השיניים שלו. עם זאת, אם האינטראקציות המולקולריות הרגולטוריות רופפות ודי לא ספציפיות, יש רפיון שימושי במערכת - בדיוק כפי שוועדה יכולה בדרך כלל להגיע להחלטה טובה גם אם אחד מחבריה חולה.

פורדיס מציין שבפרוקריוטים כמו חיידקים, ייתכן שקל יחסית לגורמי שעתוק למצוא את אתרי הקישור שלהם מכיוון שהגנום שיש לחפש קטן יותר. אבל זה נהיה קשה יותר ככל שהגנום גדל. בגנום הגדול של האוקריוטים, "אינך יכול לסבול עוד את הסיכון שתיתקעות זמנית באתר קישור 'שגוי'", אמר פורדייס, מכיוון שזה יסכן את היכולת להגיב במהירות לתנאי סביבה משתנים.

יתר על כן, STRs עצמם ניתנים להתפתחות גבוהה. הארכה או קיצור של הרצף שלהם, או שינוי בגודל ובעומק של "באר גורם התעתיק", יכולים להתרחש בקלות באמצעות תקלות בשכפול או תיקון DNA, או באמצעות ריקומבינציה מינית של הכרומוזומים. לפורדייס, הוא מציע כי STRs "עשויים לשמש חומר גלם לפיתוח אלמנטים רגולטוריים חדשים ולכוונן עדין של מודולים רגולטוריים קיימים עבור תוכניות תעתיק רגישות", כגון אלה השולטים בפיתוח של בעלי חיים וצמחים.

כוחן של אינטראקציות חלשות

שיקולים כאלה מובילים את הביולוגים המולקולריים להקדיש הרבה יותר תשומת לב לאינטראקציות חלשות ולא סלקטיביות יחסית בגנום. רבים מאלה כרוכים בחלבונים שבמקום להיות בעלי מבנה קבוע ומדויק, הם רופפים ותקלתיים - "משובשים באופן מהותי", כפי שניסחו זאת ביוכימאים. אם חלבונים יעבדו רק דרך תחומים מבניים נוקשים, הסביר יאנג, זה יגביל לא רק את מידת ההתפתחות של מערכות רגולטוריות, אלא גם את סוגי הרגולציה הדינמית הנראים בחיים. "לא תמצא אורגניזם חי - או אפילו וירוס - שמתפקד רק עם אלמנטים מבניים יציבים כמו אלה בשעון שוויצרי," אמר יאנג.

אולי האבולוציה פשוט נתקלה ב-STRs כמרכיב של פתרון כה מורכב אך בסופו של דבר יעיל יותר לוויסות גנים באוקריוטים. STRs עצמם עשויים להיווצר בכמה דרכים - למשל, באמצעות שגיאות בשכפול ה-DNA או פעילותם של מקטעי DNA הנקראים אלמנטים ניתנים להפיכה, אשר יוצרים עותקים של עצמם בכל הגנום.

"זה קרה שהאינטראקציות החלשות שנוצרו בין חלבונים לרצפים החוזרים על עצמם היו משהו שיכול לספק יתרון סלקטיבי לתאים שבהם זה התרחש", אמר קולמן. הניחוש שלו הוא שהטשטוש הזה כנראה נכפה על אוקריוטים, אבל ש"לאחר מכן הם יכלו לנצל את [זה] לטובתם". חיידקים ופרוקריוטים אחרים יכולים להסתמך על לוגיקה רגולטורית "דיגיטלית" מוגדרת היטב מכיוון שהתאים שלהם נוטים להתקיים רק בכמה מצבים פשוטים ומובחנים, כמו להסתובב ולהשתכפל.

אבל מצבי התא השונים של מטאזואים הם "מורכבים הרבה יותר ולפעמים קרובים לרצף", אמר סוטר, כך שהם משרתים טוב יותר רגולציה "אנלוגית" מטושטשת יותר.

"נראה כי מערכות הוויסות של הגנים בחיידקים ובאאוקריוטים התפצלו בצורה די מהותית", הסכים Tjian. בעוד שמונוד אמר פעם ש"בשביל מה נכון החיידק נכון לגבי הפיל", נראה שזה לא תמיד כך.