Πρωτεΐνες επιγονιδιώματος και γονιδιακή έκφραση
Μια πρόσφατη μελέτη αποκαλύπτει ότι οι πρωτεΐνες που ρυθμίζουν ποια γονίδια εκφράζονται σε έναν γονιδίωμα έχουν πολύ πιο σύνθετο ρόλο απ’ ό,τι πιστευόταν. Δεν περιορίζονται στο απλό άνοιγμα ή κλείσιμο γονιδίων, αλλά επηρεάζουν τη διαδικασία με τρόπους που έχουν σημαντικές επιπτώσεις σε τομείς όπως η βιοϊατρική και η υπολογιστική βιολογία.
Η σημασία του επιγονιδιώματος
Το ζήτημα εντοπίζεται στους “ρυθμιστές του επιγονιδιώματος”. Κάθε γονιδίωμα αποτελείται από DNA, το οποίο είναι περιτυλιγμένο με διάφορες πρωτεΐνες σε συμπαγείς δομές. Οι πρωτεΐνες αυτές, γνωστές ως επιγονίδια, ελέγχουν ποιες περιοχές του DNA εκφράζονται. Παρά το γεγονός ότι τα ερυθρά αιμοσφαίρια, τα νευρικά κύτταρα και τα δερματικά κύτταρα μοιράζονται το ίδιο DNA, οι λειτουργίες τους διαφέρουν δραστικά. Αυτό συμβαίνει διότι εκφράζονται διαφορετικά τμήματα της αλληλουχίας DNA σε κάθε κύτταρο, κάτι που καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τις πρωτεΐνες που είναι προσδεδεμένες σε συγκεκριμένες περιοχές του DNA σε κάθε κύτταρο.
Προβληματισμοί και ευρήματα
«Γνωρίζαμε ήδη ότι οι πρωτεΐνες του επιγονιδιώματος ελέγχουν πώς εκφράζεται το DNA», δηλώνει ο Άλμπερτ Κεουνγκ, κύριος συγγραφέας της μελέτης και αναπληρωτής καθηγητής Χημικής και Βιομοριακής Μηχανικής στο Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας. «Ο στόχος μας ήταν να εξετάσουμε ένα μεμονωμένο γονίδιο και να ποσοτικοποιήσουμε το πλήρες εύρος των τρόπων που μπορεί να εκφραστεί από διαφορετικές πρωτεΐνες». Ο Κεουνγκ είναι επίσης Δικαιούχος Επιστημονικής Διακεκριμένης Θέσης στην Καινοτομία στη Βιοτεχνολογία.
Δυναμική συμπεριφορά γονιδίων
«Τα αποτελέσματα ήταν εντυπωσιακά», προσθέτει η Λεάντρα Κάυγουντ, συν-πρώτη συγγραφέας της μελέτης. «Για παράδειγμα, μία πρωτεΐνη μπορεί να ενεργοποιήσει το γονίδιο γρήγορα, ενώ μια άλλη μπορεί να χρειαστεί περισσότερη ώρα, κρατώντας το ενεργό για μακρά χρονικά διαστήματα». Μια τρίτη πρωτεΐνη μπορεί να καθυστερήσει σημαντικά την ενεργοποίηση του γονιδίου, με αποτέλεσμα να σημειωθεί ξαφνική έκρηξη πριν απενεργοποιηθεί πάλι.
Μέθοδος και ανάλυση
Για τη μελέτη αυτή, οι ερευνητές επικεντρώθηκαν σε ένα μόνο γονίδιο από έναν οργανισμό ζύμης. Δοκίμασαν το DNA αυτού του γονιδίου με 87 διαφορετικές πρωτεΐνες, που επιλέχθηκαν ως αντιπροσωπευτικό υποσύνολο των εκατοντάδων πρωτεϊνών στο επιγονίδιο της ζύμης. Κάθε αλληλεπίδραση πρωτεΐνης-γονιδίου εξετάστηκε σε περίπου 100 κύτταρα ζύμης.
Καταληκτικά συμπεράσματα
«Η μεγάλη ανακάλυψη ήταν ότι κάθε πρωτεΐνη προκάλεσε μια μοναδικά διαμορφωμένη αντίδραση έκφρασης γονιδίων», σχολιάζει ο Κεουνγκ. «Οι πρωτεΐνες δεν είναι απλώς διακόπτες on/off. Κάποιες παράγουν ομοιόμορφες αποκρίσεις σε όλα τα κύτταρα της ζύμης, ενώ άλλες προκαλούν ευρύ φάσμα αντιδράσεων που διαφέρουν από κύτταρο σε κύτταρο. Παρατηρήθηκε μπόλικο θόρυβος σήματος στις αποκρίσεις αυτές. Εξετάζοντας τα patterns έκφρασης γονιδίων, διαπιστώσαμε ισχυρούς συσχετισμούς με τις γνωστές λειτουργίες των πρωτεϊνών.
Μοντελοποίηση και συμπεράσματα
Στη συνέχεια, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια ευρεία γκάμα υπολογιστικών μοντέλων για να ελέγξουν εάν οι θεωρίες τους μπορούσαν να απεικονίσουν τα πειραματικά δεδομένα τους. «Ο στόχος είναι να κατανοήσουμε πώς αντιδρά το γονίδιο σε κάθε πρωτεΐνη, και όχι μόνο σε μερικές από αυτές», σημειώνει ο Κεουνγκ.
