Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, saintis MIT telah membangunkan model baharu untuk cara gen utama dikawal yang mencadangkan jentera selular yang menyalin DNA ke dalam RNA membentuk titisan khusus yang dipanggil kondensat. Titisan ini hanya berlaku di tapak tertentu pada genom, membantu menentukan gen yang dinyatakan dalam jenis sel yang berbeza.
Dalam kajian baharu yang menyokong model itu, penyelidik di MIT dan Institut Whitehead untuk Penyelidikan Bioperubatan telah menemui interaksi fizikal antara protein dan dengan DNA yang membantu menjelaskan mengapa titisan ini, yang merangsang transkripsi gen berdekatan, cenderung untuk kelompok di sepanjang bentangan DNA tertentu yang dikenali sebagai penambah super. Kawasan penambah ini tidak mengekod protein sebaliknya mengawal gen lain.
"Kajian ini menyediakan pendekatan baharu yang asasnya penting untuk mentafsir cara 'jirim gelap' dalam genom kita berfungsi dalam kawalan gen," kata Richard Young, profesor biologi MIT dan ahli Institut Whitehead.
Young ialah salah seorang pengarang kanan kertas kerja, bersama Phillip Sharp, Profesor Institut MIT dan ahli Institut Penyelidikan Kanser Integratif MIT Koch; dan Arup K. Chakraborty, Profesor Robert T. Haslam dalam Kejuruteraan Kimia, seorang profesor fizik dan kimia, dan ahli Institut Kejuruteraan dan Sains Perubatan MIT dan Institut Ragon MGH, MIT dan Harvard.
Pelajar siswazah Krishna Shrinivas dan postdoc Benjamin Sabari ialah pengarang utama kertas kerja, yang muncul dalam Molecular Cell pada 8 Ogos.
Kilang biokimia
Setiap sel dalam organisma mempunyai genom yang sama, tetapi sel seperti neuron atau sel jantung mengekspresikan subset yang berbeza bagi gen tersebut, membolehkan mereka menjalankan fungsi khusus mereka. Penyelidikan terdahulu telah menunjukkan bahawa kebanyakan gen ini terletak berhampiran penambah super, yang mengikat protein yang dipanggil faktor transkripsi yang merangsang penyalinan gen berdekatan ke dalam RNA.
Kira-kira tiga tahun yang lalu, Sharp, Young dan Chakraborty bergabung tenaga untuk mencuba memodelkan interaksi yang berlaku pada penambah. Dalam kertas Sel 2017, berdasarkan kajian pengiraan, mereka membuat hipotesis bahawa di kawasan ini, faktor transkripsi membentuk titisan yang dipanggil kondensat dipisahkan fasa. Sama seperti titisan minyak yang terampai dalam balutan salad, kondensat ini ialah koleksi molekul yang membentuk petak selular yang berbeza tetapi tidak mempunyai membran yang memisahkannya daripada seluruh sel.
Dalam kertas Sains 2018, penyelidik menunjukkan bahawa titisan dinamik ini terbentuk di lokasi penambah super. Diperbuat daripada kelompok faktor transkripsi dan molekul lain, titisan ini menarik enzim seperti polimerase RNA yang diperlukan untuk menyalin DNA ke dalam RNA pembawa mesej, memastikan transkripsi gen aktif di tapak tertentu.
"Kami telah menunjukkan bahawa jentera transkripsi membentuk titisan seperti cecair pada kawasan pengawalseliaan tertentu pada genom kami, namun kami tidak memahami sepenuhnya bagaimana atau mengapa titisan embun molekul biologi ini hanya kelihatan terpeluwap di sekitar titik tertentu pada kami. genom, " kata Shrinivas.
Sebagai satu penjelasan yang mungkin untuk kekhususan tapak tersebut, pasukan penyelidik membuat hipotesis bahawa interaksi lemah antara kawasan faktor transkripsi yang tidak teratur secara intrinsik dan molekul transkripsi lain, bersama-sama dengan interaksi khusus antara faktor transkripsi dan unsur DNA tertentu, mungkin menentukan sama ada kondensat terbentuk pada regangan DNA tertentu. Ahli biologi secara tradisinya menumpukan pada interaksi gaya "kunci dan kunci" antara segmen protein berstruktur tegar untuk menerangkan kebanyakan proses selular, tetapi bukti yang lebih terkini menunjukkan bahawa interaksi yang lemah antara kawasan protein liut juga memainkan peranan penting dalam aktiviti sel.
Dalam kajian ini, pemodelan dan eksperimen pengiraan mendedahkan bahawa daya kumulatif interaksi lemah ini bersekongkol bersama-sama dengan interaksi faktor transkripsi-DNA untuk menentukan sama ada kondensat faktor transkripsi akan terbentuk di tapak tertentu pada genom. Jenis sel yang berbeza menghasilkan faktor transkripsi yang berbeza, yang mengikat kepada penambah yang berbeza. Apabila banyak faktor transkripsi berkumpul di sekeliling penambah yang sama, interaksi yang lemah antara protein lebih berkemungkinan berlaku. Setelah kepekatan ambang kritikal dicapai, kondensat terbentuk.
"Mencipta kepekatan tinggi tempatan ini dalam persekitaran sel yang sesak membolehkan bahan yang betul berada di tempat yang betul pada masa yang sesuai untuk menjalankan pelbagai langkah yang diperlukan untuk mengaktifkan gen," kata Sabari. "Kajian semasa kami mula membezakan bagaimana kawasan genom tertentu mampu melakukan helah ini."
Titisan ini terbentuk pada skala masa beberapa saat hingga minit, dan ia berkelip masuk dan keluar bergantung pada keperluan sel.
"Ia adalah kilang biokimia atas permintaan yang sel boleh membentuk dan membubarkan, apabila dan apabila mereka memerlukannya, " kata Chakraborty. "Apabila isyarat tertentu berlaku di lokus kanan pada gen, kondensat terbentuk, yang menumpukan semua molekul transkripsi. Transkripsi berlaku, dan apabila sel selesai dengan tugas itu, mereka menyingkirkannya."
Paparan baharu
Interaksi kerjasama yang lemah antara protein juga mungkin memainkan peranan penting dalam evolusi, kata penyelidik dalam kertas Prosiding Akademi Sains Kebangsaan 2018. Urutan kawasan bercelaru intrinsik faktor transkripsi hanya perlu berubah sedikit untuk mengembangkan jenis fungsi khusus yang baharu. Sebaliknya, fungsi khusus baharu yang berkembang melalui interaksi "kunci dan kunci" memerlukan perubahan yang lebih ketara.
"Jika anda berfikir tentang bagaimana sistem biologi telah berkembang, mereka telah dapat bertindak balas kepada keadaan yang berbeza tanpa mencipta gen baharu. Kami tidak mempunyai gen lagi seperti lalat buah, namun kami jauh lebih kompleks dalam kebanyakan fungsi kami, " kata Sharp. "Pengembangan dan pengecutan tambahan domain yang tidak teratur secara intrinsik ini boleh menjelaskan sebahagian besar bagaimana evolusi itu berlaku."
Kondensat serupa kelihatan memainkan pelbagai peranan lain dalam sistem biologi, menawarkan cara baharu untuk melihat cara bahagian dalam sel disusun. Daripada terapung melalui sitoplasma dan secara rawak terlanggar molekul lain, protein yang terlibat dalam proses seperti penyampaian isyarat molekul mungkin secara sementara membentuk titisan yang membantu mereka berinteraksi dengan rakan kongsi yang betul.
"Ini adalah satu perubahan yang sangat menarik dalam bidang biologi sel," kata Sharp. "Ia adalah cara baharu untuk melihat sistem biologi yang lebih kaya dan lebih bermakna."
Beberapa penyelidik MIT, diketuai oleh Young, telah membantu membentuk sebuah syarikat bernama Dewpoint Therapeutics untuk membangunkan rawatan berpotensi untuk pelbagai jenis penyakit dengan mengeksploitasi kondensat selular. Terdapat bukti yang muncul bahawa sel-sel kanser menggunakan kondensat untuk mengawal set gen yang menggalakkan kanser, dan kondensat juga telah dikaitkan dengan gangguan neurodegeneratif seperti amyotrophic lateral sclerosis (ALS) dan penyakit Huntington.
Penyelidikan ini dibiayai oleh Yayasan Sains Kebangsaan, Institut Kesihatan Nasional dan Geran Sokongan (teras) Institut Koch daripada Institut Kanser Kebangsaan.
