Chromozomy ve skutečnosti vypadají hodně odlišně od učebnic pro střední školy

Tento vícebarevný chromatinový obraz byl vytvořen pomocí fluorescenčního záření s více místy na místě a mikroskopu s vysokým rozlišením. Uznání: Xiaowei Zhuang Laboratory

Jak to ukazují 3D obrazy lidských chromozomů v jednotlivých buňkách ve vysokém rozlišení DNA Struktura může ovlivnit její funkci.

V učebnicích pro střední školy jsou lidské chromozomy popsány jako X-Wunky jako dvě klobásy stlačené dohromady. Ale tyto obrázky nejsou ani zdaleka přesné. „V 90 procentech případů,“ řekl John Han-soo, „chromozomy takto neexistují.“

V loňském roce, předtím, než Sue dokončil doktorské studium, on a tři v současné době absolvují doktorát. Kandidáti na Školu umění a věd – Fu Zheng, Saun Kinrot a Bogdan Binto – pořídili snímky lidských chromozomů, komplexních domů naší DNA, ve vysokém rozlišení. Tyto obrázky nyní mohou poskytnout dostatek důkazů k transformaci X na složitější symboly. Je však mnohem přesnější nejen učit příští generaci vědců, ale také pomoci současné generaci řešit záhady o tom, jak ovlivňuje struktura chromozomu.

Všechno živé, včetně lidí, musí vytvářet nové buňky, které nahradí ty staré a opotřebované, aby fungovaly. Za tímto účelem buňky dělí a replikují svou DNA zabalenou v labyrintových knihovnách v chromatinu, látce v chromozomech. V přímém směru může DNA v jedné buňce dosáhnout výšky metru a půl, které jsou všechny zabalené v těsných a složitých strukturách v buněčném jádru. Pouze jedna chyba při kopírování nebo nedbalosti genetického materiálu může vést k genovým mutacím nebo nesprávné funkci.

Dostat se dostatečně blízko, abychom viděli strukturu chromatinu, je obtížné. Pohled na strukturu i funkci je ale stále obtížný. Nyní v článku publikovaném v srpnu b buňkaZhuang a její tým uvádějí novou metodu simulace struktury a chování chromatinu společně, spojující tečky a určující, jak jeden ovlivňuje druhý, aby udržel správnou funkci nebo způsobil onemocnění.

„Je docela důležité určit trojrozměrnou organizaci,“ řekl Zhuang, David B. Arnold, profesor vědy, „rozumí molekulárním mechanismům, které jsou základem organizace, a také rozumí tomu, jak tato organizace reguluje funkci genomu.“

Pomocí své nové 3D zobrazovací metody s vysokým rozlišením tým začal konstruovat chromozomální mapu ze dvou širokoúhlých obrazů všech 46 chromozomů a detailů jednoho segmentu jednoho chromozomu. Aby si dokázali představit něco, co je pro obraz stále příliš malé, zachytili spojené body („genomová loci“) podél celého řetězce DNA. Spojením mnoha teček mohou vytvořit komplexní obraz struktury chromatinu.

Ale došlo k rozporu. V minulosti, řekl Zhuang, počet bodů, které si dokázali představit a identifikovat, byl omezen počtem barev, které si dokázali představit společně: tři. Tři tečky nemohou vytvořit komplexní obraz.

Zhuang a její tým tedy předložili nepřetržitý přístup: obrázek tří různých lokusů, vypnutí signálu a poté další tři obrázky v rychlém sledu. S touto technikou získává každá tečka dva identifikační znaky: barevný a kulatý obraz.

„Nyní máme 60 vyfotografovaných a lokálních míst současně, a co je důležitější, identifikovaných,“ řekl Zhuang.

Přesto, aby pokryli celý genom, potřebovali více – tisíce – a tak se obrátili k jazyku, který již dříve organizoval a ukládal obrovské množství informací: binární. Vložením binárních čárových kódů do různých umístění chromatinu mohou simulovat mnohem více lokusů a dešifrovat svou identitu později. Například molekula vyfotografovaná v prvním kole, ale nikoli ve druhém, obdrží čárový kód začínající na „10.“ Díky 20bitovým čárovým kódům může tým rozlišit 2 000 molekul za pouhých 20 zobrazovacích cyklů. „Tímto kombinatorickým způsobem můžeme zvýšit počet molekul, které jsou fotografovány a identifikovány, mnohem rychleji,“ řekl Zhuang.

Pomocí této techniky tým vyfotografoval asi 2 000 chromatinových lokusů na buňku, což je desetinásobné zvýšení oproti jejich předchozí práci a stačilo k vytvoření obrazu s vysokým rozlišením toho, jak vypadá struktura chromozomů v místním prostředí. Tím však nekončili: natáčeli také transkripční aktivity (kdy RNA Replikuje genetický materiál z DNA) a jaderné struktury, jako jsou jaderná a jaderná jádra.

S pomocí svých trojrozměrných map genomu mohou začít analyzovat, jak se struktura v průběhu času mění a jak tyto územní pohyby pomáhají nebo zhoršují dělení a replikaci buněk.

Vědci již vědí, že chromatin se rozpadá na různé oblasti a oblasti (jako pouště versus města). Ale jak tyto oblasti vypadají v různých typech buněk a jak fungují, stále není známo. Se svými obrázky ve vysokém rozlišení Zhuang a tým určili, že oblasti s mnoha geny („bohaté na geny“) mají tendenci se hromadit do podobných oblastí na každém chromozomu. Ale oblasti s několika geny („chudé na gen“) se spojí, pouze pokud sdílejí stejný chromozom. Jedna teorie je, že oblasti bohaté na geny, které jsou aktivními místy pro genovou transkripci, se spojují jako rostlina, aby umožnily efektivnější produkci.

I když je zapotřebí ještě více výzkumu, než bude možné tuto teorii potvrdit, jedna věc je nyní jistá: místní prostředí chromatinu ovlivňuje transkripční aktivitu. Struktura ovlivňuje funkci. Tým také zjistil, že žádné dva chromozomy nevypadají stejně, dokonce ani v různých buňkách. Zjistit, jak každý chromozom vypadá v každé buňce v lidském těle, bude vyžadovat mnohem více práce, než může jedna laboratoř zvládnout sama.

„Nebude možné stavět jen na naší práci,“ řekl Zhuang. „Abychom dosáhli komplexního porozumění, musíme stavět na mnoha a mnoha laboratorních úlohách.“

Reference: „Genome Scale Imaging of 3D Organisation and Chromatin Transcriptional Activity“ John Han Su, Fu Zheng, Sion S. Kinrot, Bogdan Binto a Xiaoji Zhuang, 20. srpna 2020, buňka.
DOI: 10.1016 / j.cell.2020.07.032

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Aby se objev urychlil, vychází z mřížky vysoce dimenzionální infračervený mikroskop

Příklad vzoru dlaždice použitého ke skenování kulatého červa C. elegans. Non-grid pattern dává algoritmu vzorkování větší flexibilitu pro rychlé resetování oblastí zájmu. ...

Starověcí zirkonové říkají, že desková tektonika začala před 3,6 miliardami let – významná událost pro přivítání Země k životu

Zirkony studované výzkumným týmem byly vyfotografovány pomocí katholluminiscence, techniky, která umožňuje týmu vizualizovat vnitřek krystalů pomocí speciálního rastrovacího elektronového mikroskopu. Tmavé kruhy na...

Můžeme opioidy zvýšit návykovostí? [Video]

V roce 2017 byly miliony lidí po celém světě závislí na opioidech a 115 000 zemřelo na předávkování. Opioidy jsou nejsilnější léky proti bolesti, které...

V místě vazby protilátek ve variantách viru COVID-19 – hlavní důsledky pro budoucí vakcíny

Výzkumný tým Penn State zjistil, že N protein na SARS-CoV-2 je uložen ve všech pandemických koronavirech souvisejících se SARS (nahoře vlevo: SARS-CoV-2, civet, SARS-CoV,...

NASA investuje 105 milionů amerických dolarů do vývoje inovativních technologií pro malé podniky ve Spojených státech

NASA Má dlouhou historii podpory amerických podnikatelů při vývoji technologií od nápadu po obchodní připravenost. Agenturní program Small Business Innovation Research (SBIR) dále podporoval...

Newsletter

Subscribe to stay updated.