การใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ นักเคมีของ MIT ได้ค้นพบว่าร่างกายเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์กับโครโมโซมในนิวเคลียสอย่างไร และปฏิกิริยาเหล่านี้ช่วยให้นิวคลีโอลีดำรงอยู่เป็นหยดที่เสถียรภายในนิวเคลียสได้อย่างไร

การค้นพบของพวกเขายังชี้ให้เห็นว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างโครมาตินกับนิวเคลียร์ทำให้จีโนมมีโครงสร้างคล้ายเจล ซึ่งช่วยส่งเสริมปฏิสัมพันธ์ที่เสถียรระหว่างจีโนมและเครื่องจักรถอดรหัส ปฏิสัมพันธ์เหล่านี้ช่วยควบคุมการแสดงออกของยีน

Bin Zhang รองศาสตราจารย์ด้านการพัฒนาอาชีพของ Pfizer-Laubach กล่าวว่า "โมเดลนี้ได้แรงบันดาลใจให้เราคิดว่าจีโนมอาจมีคุณสมบัติคล้ายเจล ซึ่งสามารถช่วยให้ระบบเข้ารหัสผู้ติดต่อที่สำคัญและช่วยแปลผู้ติดต่อเหล่านั้นเป็นผลลัพธ์การทำงานได้ ที่ MIT ซึ่งเป็นสมาชิกของ Broad Institute of Harvard และ MIT และเป็นผู้เขียนอาวุโสของการศึกษาวิจัย

MIT นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Yifeng ฉีเป็นผู้เขียนนำกระดาษซึ่งปรากฏวันนี้ในการสื่อสารธรรมชาติ

การสร้างแบบจำลองหยด

งานวิจัยของ Zhang ส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การสร้างแบบจำลองโครงสร้างสามมิติของจีโนม และการวิเคราะห์ว่าโครงสร้างนั้นมีอิทธิพลต่อการควบคุมยีนอย่างไร

ในการศึกษาครั้งใหม่นี้ เขาต้องการขยายการสร้างแบบจำลองเพื่อรวมนิวคลีโอลีด้วย ร่างเล็กๆ เหล่านี้ ซึ่งสลายไปในช่วงเริ่มต้นของการแบ่งตัวของเซลล์และก่อตัวใหม่อีกครั้งในกระบวนการนั้น ประกอบด้วยโมเลกุลที่แตกต่างกันของ RNA และโปรตีนมากกว่าพันชนิด หน้าที่หลักอย่างหนึ่งของนิวคลีโอลีคือการผลิตไรโบโซม RNA ซึ่งเป็นส่วนประกอบของไรโบโซม

การศึกษาเมื่อเร็ว ๆ นี้ชี้ให้เห็นว่านิวคลีโอลีมีอยู่ในรูปของเหลวหลายหยด สิ่งนี้ทำให้งงงวยเพราะภายใต้สภาวะปกติ ละอองหลายหยดควรหลอมรวมกันเป็นหยดขนาดใหญ่เพียงหยดเดียว เพื่อลดแรงตึงผิวของระบบ จางกล่าว

"นั่นคือจุดที่ปัญหาน่าสนใจ เพราะในนิวเคลียส ละอองหลายหยดเหล่านั้นสามารถคงความเสถียรได้ตลอดทั้งวัฏจักรของเซลล์ ประมาณ 24 ชั่วโมง" เขากล่าว

ในการสำรวจปรากฏการณ์นี้ Zhang และ Qi ใช้เทคนิคที่เรียกว่าการจำลองแบบไดนามิกของโมเลกุล ซึ่งสามารถจำลองว่าระบบโมเลกุลเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป ในช่วงเริ่มต้นของการจำลอง โปรตีนและอาร์เอ็นเอที่ประกอบกันเป็นนิวคลีโอลีจะถูกสุ่มกระจายไปทั่วนิวเคลียส และการจำลองจะติดตามว่าพวกมันค่อยๆ ก่อตัวเป็นหยดเล็กๆ ได้อย่างไร

ในการจำลอง นักวิจัยยังรวมโครมาติน ซึ่งเป็นสารที่ประกอบเป็นโครโมโซมและรวมเอาโปรตีนรวมถึงดีเอ็นเอด้วย ทีม MIT ใช้ข้อมูลจากการทดลองก่อนหน้านี้ที่วิเคราะห์โครงสร้างของโครโมโซม คำนวณพลังงานปฏิสัมพันธ์ของโครโมโซมแต่ละตัว ซึ่งช่วยให้พวกเขาสามารถนำเสนอโครงสร้างจีโนม 3 มิติที่เหมือนจริงได้

เมื่อใช้แบบจำลองนี้ นักวิจัยสามารถสังเกตได้ว่าละอองนิวคลีโอลีก่อตัวอย่างไร พวกเขาพบว่าถ้าพวกเขาสร้างแบบจำลองส่วนประกอบนิวเคลียสด้วยตัวเองโดยไม่มีโครมาติน ในที่สุดพวกมันก็จะหลอมรวมเป็นหยดขนาดใหญ่เพียงหยดเดียวตามที่คาดไว้ อย่างไรก็ตาม เมื่อนำโครมาตินเข้าสู่แบบจำลองแล้ว นักวิจัยพบว่านิวคลีโอลีก่อตัวเป็นหยดหลายหยด เช่นเดียวกับที่ทำในเซลล์ที่มีชีวิต

นักวิจัยยังค้นพบด้วยว่าเหตุใดจึงเกิดขึ้น: ละอองนิวคลีโอลีจะผูกติดกับบริเวณบางส่วนของโครมาติน และเมื่อเกิดขึ้นแล้ว โครมาตินจะทำหน้าที่เป็นตัวลากที่ป้องกันไม่ให้นิวคลีโอลีหลอมรวมเข้าด้วยกัน

"กองกำลังเหล่านั้นจับระบบในละอองขนาดเล็กเหล่านั้นและขัดขวางไม่ให้หลอมรวมเข้าด้วยกัน" จางกล่าว "การศึกษาของเราเป็นครั้งแรกที่เน้นย้ำถึงความสำคัญของเครือข่ายโครมาตินนี้ ซึ่งสามารถชะลอการหลอมเหลวได้อย่างมีนัยสำคัญ และยับยั้งระบบในสถานะหยดของมัน"

การควบคุมยีน

นิวเคลียสไม่ใช่โครงสร้างเล็กๆ เพียงโครงสร้างเดียวที่พบในนิวเคลียส ส่วนอื่นๆ รวมถึงจุดนิวเคลียร์และแผ่นลามินานิวเคลียร์ ซึ่งเป็นเปลือกหุ้มที่ล้อมรอบจีโนมและสามารถจับกับโครมาตินได้ ขณะนี้กลุ่มของ Zhang กำลังทำงานเกี่ยวกับการสร้างแบบจำลองการมีส่วนร่วมของโครงสร้างนิวเคลียร์เหล่านี้ และการค้นพบครั้งแรกของพวกเขาชี้ให้เห็นว่าพวกเขาช่วยให้จีโนมมีคุณสมบัติเหมือนเจลมากขึ้น Zhang กล่าว

"การมีเพศสัมพันธ์ที่เราสังเกตเห็นระหว่างโครมาตินกับวัตถุนิวเคลียร์นั้นไม่ได้จำเพาะต่อนิวเคลียส แต่เป็นเรื่องปกติสำหรับวัตถุนิวเคลียร์อื่น ๆ เช่นกัน" เขากล่าว "ความเข้มข้นของร่างกายนิวเคลียร์นี้จะเปลี่ยนพลวัตขององค์กรจีโนมโดยพื้นฐานและมีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนจีโนมจากของเหลวเป็นเจล"

สถานะคล้ายเจลนี้จะทำให้ส่วนต่างๆ ของโครมาตินมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันได้ง่ายกว่าถ้าโครงสร้างมีอยู่ในสถานะของเหลว เขากล่าว การรักษาปฏิสัมพันธ์ที่มั่นคงระหว่างบริเวณที่ห่างไกลของจีโนมเป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากยีนมักถูกควบคุมโดยโครมาตินที่ยืดออกซึ่งอยู่ห่างไกลจากพวกมัน

การวิจัยได้รับทุนจากสถาบันสุขภาพแห่งชาติและมูลนิธิกอร์ดอนและเบ็ตตีมัวร์บาคาร่า สมัครบาคาร่า