Rozplątywanie sekretów DNA w przestrzeni wirtualnej
Prawie każdy rodzaj komórek w ciele człowieka zawiera dwa metry nici DNA, zwiniętej tak, aby zmieściła się w jądrze o średnicy nieprzekraczającej jednej dziesiątej szerokości ludzkiego włosa. Zrozumienie struktury ciasno nawiniętego materiału genetycznego było celem działań podejmowanych w ramach finansowanego przez UE projektu THREEDCELLPHYSICS. Komórka słuchowa i komórka wątroby mają to samo DNA, ale pełnią bardzo różne funkcje. Ta różnica jest związana z epigenetycznymi fragmentami informacji dołączonymi do nici DNA w postaci znaczników biochemicznych. „Interesujemy się strukturą chromosomów i genów oraz ich powiązaniem z funkcją komórek”, wyjaśnia Davide Marenduzzo, kierownik projektu. „Opracowaliśmy model oddolny, by wyjaśnić to zjawisko w sposób możliwie ogólny”.
Modelowanie polimerów
Podejście zespołu Marenduzzo polegało na utworzeniu cyfrowej wersji nici DNA przy użyciu często stosowanego w fizyce oprogramowania do modelowania polimerów. Na tej podstawie uczeni mogli przewidzieć, które części chromatyny – jak nazywamy DNA i jego białka pomocnicze – mogą znajdować się blisko siebie. Na przykład białka w jądrze skupiają się w małych, ale licznych kropelkach, co Marenduzzo i jego współpracownicy nazwali separacją mikrofazową. Konstrukcja tych klastrów wiąże się z transkrypcją, ponieważ geny leżące blisko siebie w łańcuchu DNA zazwyczaj są eksprymowane jednocześnie. Symulacja tak złożonej struktury wymagała użycia superkomputerów oraz połączenia fizyki, biologii i modelowania polimerów. „Modelowanie polimerów to technika stosowana tradycyjnie w fizyce, ale zazwyczaj nie przeprowadzamy symulacji biofizycznych na taką skalę”, dodaje Marenduzzo. „Natomiast w przypadku modelowania chromosomów tak złożone obliczenia prowadzi się tylko w kilku ośrodkach na świecie”.
Podejście mechanistyczne
Zespół przyjął zupełnie inne podejście do tematu. „Ludzie często zaczynają od danych i tworzą modele, które do nich pasują”, zauważa Marenduzzo. „My podeszliśmy do problemu mechanistycznie – zaczęliśmy od hipotezy i na tej podstawie wygenerowaliśmy prognozy, a następnie spróbowaliśmy udowodnić ich słuszność w dalszych eksperymentach”. Przewidywania zespołu sprawdzono przy użyciu wychwytywania konformacji chromosomu (3C) i Hi-C, technik biologii molekularnej, które wychwytują bliskie obszary i sekwencjonują je w celu identyfikacji. Szczegóły pracy omówiono we wstępnej publikacji udostępnionej on-line. Oprócz zbadania różnych typów komórek zespół Marenduzzo spróbował także przewidzieć skutki delecji chromosomu, która prowadzi do powstania zespołu delecji 22q11.2. Niedawno grupa opracowała model HiP-HoP, czyli wysoce predykcyjny model polimeru heteromorficznego, który jest obecnie wykorzystywany między innymi do badania różnic między komórkami zdrowymi a rakowymi.
Katalog genów
Prace były wspierane przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych. „Mogłem zapewnić dwóm utalentowanym osobom pięć lat stażu. Mało który grant na to pozwala”, mówi Marenduzzo. „Ciągłość prowadzenia badań jest nieoceniona. Nie mogę też narzekać na elastyczność – gdybym znalazł odpowiedniego kandydata, mógłbym go bez trudu zwerbować”. Grupa Marenduzzo planuje niebawem opracować drugą wersję modelu HiP-HoP i skatalogować wszystkie możliwe struktury genów. „Jesteśmy bardzo przejęci. To będzie świetne źródło informacji dla eksperymentatorów. Nasze wyniki będzie można wykorzystać dla każdego genu, aby sprawdzić, jak wygląda jego przewidywana struktura trójwymiarowa”.
Słowa kluczowe
THREEDCELLPHYSICS, modelowanie, polimer, DNA, struktura, białko, hip-hop, chromosom, konformacja, wychwytywanie
