인간 세포는 2 미터의 나선형 DNA의 핵을 전달하며, 염색체 인 46 개의 가늘고 이중 헤일리카 분자로 나뉩니다. 대부분의 경우, 그 DNA는 얽힌 원사 공처럼 보입니다. 확산, 무질서, 혼란. 그러나 그 혼란은 유사 분열 중에 세포가 유전자 물질의 사본을 만들고 둘로 나누어야 할 때 문제가됩니다. 준비 할 때, DNA를 염색체의 가장 친숙한 형태 인 밀도가 높고 소시지 모양의 막대에 포장하여 소지합니다. 과학자들은 수십 년 동안 현미경을 통해 그 과정을 보았습니다. DNA는 점차적으로 단축되고 넓어지는 개별 단위로 응축되고 조직됩니다. 그러나 게놈이 그 구조 내에서 접힌 방법 (단순히 수축이 아니라는 것은 분명합니다)은 미스터리로 남아 있습니다. 매사추세츠 대학교 의과 대학의 생화학자인 Job Dekker는“실제로 유전학의 중심에 있습니다.
이 퍼즐을 해결하기 위해 Dekker는 Massachusetts Institute of Technology의 생물 물리학자인 Leonid Mirny와 스코틀랜드 에딘버러 대학교의 생물학자인 William Earnshaw와 협력했습니다. 그들과 그들의 동료들은 이미징, 모델링 및 게놈 기술의 조합을 사용하여 세포 분열 동안 응축 된 염색체가 어떻게 형성되는지 이해했습니다. 그들의 결과는 Science 에 최근에 발표되었습니다 오늘날의 저널 호에서 유럽 팀이보고 한 실험적 증거에 의해 부분적으로 확인되었습니다. 두 개의 단백질 복합체가 Helical Spine을 따라 DNA를 순차적으로 단단한 루프로 구성하는 그림을 페인트합니다.
.연구원들은 염색체에 대한 분당 데이터를 수집했습니다. 현미경을 사용하여 어떻게 변화하는지 확인하고 Hi-C라는 기술을 수집했습니다.이 기술은 게놈의 서열 쌍이 서로 상호 작용하는 방법에 대한 맵을 제공합니다. 그런 다음 해당 데이터에 맞게 정교한 컴퓨터 시뮬레이션을 생성하여 염색체가 응축 된대로 추적 한 3 차원 경로를 계산할 수있었습니다.
.그들의 모델은 유사 분열에 대한 리드 업에서, 두 개의 연결된 모터로 구성된 Condensin II라고 불리는 고리 모양의 단백질 분자가 DNA의 땅을 결정했다. 각 모터는 각 모터를 서로 부착하는 동안 가닥을 따라 반대 방향으로 이동하여 루프가 형성됩니다. 모터가 계속 움직이면 해당 루프가 점점 커집니다. (Mirny는 양손으로 컴퓨터의 전원 코드 조각을 꽉 쥐고 너클에 너클을 잡고 코드 루프를 밀어 붙였다. 각 루프의 바닥에 위치한 고리와 같은 단백질은 루프가 나오는 중앙 스캐 폴딩을 생성하고 전체 염색체가 더 짧아지고 더 단단 해집니다.
이러한 결과는 루프 압출 아이디어, DNA가 어떻게 포장되는지에 대한 사전 제안을지지했다. (루프 압출은 또한 Mirny에 따르면, 복제 된 염색체가 매듭을 짓고 얽힌 것을 방지하는 데 도움이된다. 루프 구조의 역학은 자매 크로마 티드가 서로 격퇴하게한다.) 그러나 다음과 같은 과학자들이 더 많은 놀라움으로 관찰되었고 루프 압출 가축에 더 자세한 내용을 만들 수있게했다.
.약 10 분 후, 염색체를 함께 유지하는 핵 외피는 무너져서 두 번째 고리 모양의 운동 단백질, 응축기 I, DNA에 접근했습니다. 이 분자들은 이미 형성된 루프에서 루프 압출을 수행하여 평균적으로 약 5 개의 작은 루프로 분할되었습니다. 이러한 방식으로 둥지 루프는 염색체가 더 좁아 질 수 있었고 초기 루프가 혼합 또는 상호 작용할 수있을만큼 크게 자라는 것을 방지했습니다.
약 15 분 후,이 루프가 형성됨에 따라, HI-C 데이터는 연구자들이 더 예상치 못한 것을 발견 한 것을 보여 주었다. 전형적으로, DNA의 줄을 따라 서로 가까이 위치한 서열은 상호 작용할 가능성이 가장 높았지만 더 멀리 떨어져있을 가능성은 적었다. 그러나이 팀의 측정 결과는“그런 것들이 다시 원으로 돌아왔다”고 Mirny는 말했다. 즉, 일단 서열 사이의 거리가 더욱 증가하면 다시 상호 작용할 확률이 더 높았다. "이 데이터의 첫눈부터 우리가 이전에 이런 것을 본 적이 없다는 것은 분명했습니다." 그의 모델은 Condensin II 분자가 프랑스의 Chambord Castle에서 발견 된 유명한 레오나르도 계단에서와 같이 나선형 스캐 폴드로 조립되었다고 제안했다. 중첩 된 DNA 루프는 나선형 스캐 폴드의 계단처럼 방출되어 염색체를 특징 짓는 원통형 구성에 껴안아 포장합니다.
Mirny는“이 단일 프로세스는 세 가지 문제를 즉시 해결합니다. “그것은 발판을 만듭니다. 그것은 염색체를 선형으로 주문합니다. 그리고 그것은 길쭉한 대상이되는 방식으로 그것을 압축합니다.”
.Dekker는“이것은 우리에게 정말 놀랍습니다.”Dekker는 헬리컬 축을 따라 루프의 회전을 결코 관찰하지 않았을뿐만 아니라 그 발견이보다 근본적인 토론에 영향을 미쳤 기 때문입니다. 즉, 염색체는 일련의 루프 일뿐입니까, 아니면 나선형입니까? 그리고 그들이 나선형을한다면, 전체 염색체 전체가 코일로 비틀어 지거나 내부 스캐 폴딩만이하나요? (새로운 연구는 후자를 지적합니다. 연구원들은 이전 나선 관련 가설을 실험 유물에 귀속시킨다. 그리고 과도한 나선형을 촉진하는 방식으로 염색체를 분리 한 결과.)“우리의 작품은 사람들이 수년간 수집 한 많은 관찰을 통합한다”고 Dekker는 말했다.
하버드 대학교의 분자 생물학자인 낸시 크 레크 너 (Nancy Kleckner)는“이 [분석]은 혁신적인 정도의 선명도를 제공합니다. "이 후기 단계에서 염색체가 어떻게 구성되는지 이해하는 또 다른 시대로 우리를 데려갑니다."
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이 분야의 다른 전문가들은 이러한 결과가 덜 놀라운 것을 발견했으며, 그 결과가 제공 한 세부 사항에 대해 더 주목할만한 연구를 고려했습니다. 프랑스 소르본 네 대학교의 생물 물리학자인 줄리엔 모지 코나시 (Julien Mozziconacci)에 따르면, 연구원들은 이미“공중에서”묘사 된 일반 염색체 조립의 힌트는 이미“공중에있다”고 밝혔다. 그는 작품의보다 새로운 측면이 연구원의 HI-C 데이터 컬렉션을 시간의 함수로 놓아 루프 크기 및 나선형 회전과 같은 특정 제약을 정확히 찾아 낼 수있게했다고 말했다. "나는 이것이 사람들이 생각한 것을 처음으로 볼 수있는 기술적 인 투어 드 포스라고 생각한다"고 그는 말했다.
그럼에도 불구하고, Dekker는 한동안이 과정에 관여하는 것이 오랫동안 알려져 있지만, 그의 그룹은 이제“세포가 염색체를 접는 데 사용하는 분자 손”에 대해 더 구체적인 역할을 확인했다는 사실에도 불구하고 과학자들은 여전히 그들이 어떻게하는지 정확히 이해하지 못한다고 경고했다.
."Condensin이 이런 식으로 유사 분열 염색체를 구성하고 있다면 어떻게합니까?" 옥스포드 대학의 생화학 자이자 루프 압출 가설의 개척자 인 킴 나스 미스 (Kim Nasmyth)는 말했다. "우리가 분자 메커니즘을 알기 전까지는, 우리는 콘덴 스틴이 실제로이 모든 것을 운전하는 사람인지 확실하게 말할 수 없습니다."
.그곳에서 독일의 유럽 분자 생물학 연구소의 생화학자인 Christian Häring과 네덜란드의 Delft University of Technology의 생물 물리학 자 (Job Dekker와 관련이 없음) 인 Cees Dekker가 그림을 입력하는 곳입니다. 작년에, 그들과 그들의 동료들은 처음으로 Condensin이 테스트 튜브에서 DNA를 따라 움직이는 것을 직접 입증했습니다. 이는 루프 압출의 전제 조건입니다. 그리고 오늘의 Science 문제에서 그들은 효모에서 DNA 루프를 실시간으로 압출하는 분리 된 응축기 분자를 목격 한 것으로보고했다. 하링은“우리는 마침내 이런 일이 일어나는 시각적 증거를 가지고있다”고 말했다.
그리고 Mirny와 그의 팀이 더 큰 루프를 형성 할 것이라고 예측 한 것처럼 거의 정확하게 일어났습니다. 시험 관내 실험에서 루프는 비대칭 적으로 형성되었다는 점을 제외하고는 Condensin이 DNA에 착륙하여 Mirny가 처음에 가정 한 것처럼 두 방향이 아니라 한쪽에서만 릴 수있었습니다. (실험은 효모에서 응축기와 관련하여 한 번에 단일 분자 만 검사했기 때문에 Mirny 모델의 다른 측면, 즉 중첩 루프 및 헬리컬 스캐 폴드의 다른 측면을 확인하거나 반박 할 수 없습니다.)
.연구자들이 생화학을 완전히 풀고 염색체가 어떻게 풀리는 지에 대한 유사한 연구를 수행 한 후에는 Job Dekker와 Mirny는 자신의 작업이 다양한 실용적이고 이론적 인 응용에 적합 할 수 있다고 생각합니다. 우선, 연구는 잠재적 인 암 치료를 알 수 있습니다. 암 세포는 빠르고 자주 분열합니다.“그 과정에 대해 우리가 아는 모든 것은 이러한 종류의 세포를 구체적으로 표적으로 표적으로하는 데 도움이 될 수 있습니다.
또한 분열되지 않은 세포의 염색체에서 일어나는 일에 대한 창을 제공 할 수 있습니다. Job Dekker는“이것은 세포가 염색체로하는 다른 일에 더 넓은 영향을 미칩니다. 그와 그의 동료들은 공부하고있는 응축자에게는 코 헤신 (Cohesins)이라는 친척이 있으며, DNA가 압축되지 않더라도 게놈을 구성하고 루프를 만드는 데 도움이됩니다. 그 폴딩 과정은 유전자 발현에 영향을 줄 수 있습니다. 루프 압출은 기본적으로 유전자 쌍을 함께 가져 오지만, 성장 또는 수축 루프의 기저에서 간단히 유전자 조절 중에 매우 잘 발생할 수있는 것, 유전자가 염색체를 따라 멀리 떨어져있을 수있는 조절 요소와 물리적으로 접촉해야 할 때. Dekker는“우리는 이제이 과정을 연구 할 수있는 강력한 시스템을 가지고 있습니다.
샌프란시스코 캘리포니아 대학교 (University of California)의 박사후 연구원 인 Geoff Fudenberg는 이전에 Mirny 's Lab에서 근무한“세포주기의 다른 부분에서 배울 수있는 것들 사이에는 엄청난 양의 시너지 효과가 있다고 생각합니다. 그는 염색체가 유사 분열 동안 어떻게 그러한 "극적인 전이"를 겪는 지 이해하는데, 세포가 나누지 않고 특정 활동과 행동이 명확하지 않을 때 "표면 아래"에 대해 많은 것을 드러낼 수 있다고 말했다.
Mirny는 이러한 유형의 폴딩이 모양 또는 구조의 활성 변화를 포함하는 세포의 다른 과정에 대한 통찰력을 제공 할 수 있다고 지적합니다. 단백질은 상호 작용에 의해 크게 접히는 반면, 운동 과정은 세포질에서 세포 골격을 만듭니다. Mirny는“이제 우리는 염색체가 그 사이에있을 수 있음을 깨닫게되었습니다. "우리는 이러한 유형의 활성 시스템이 어떻게 복잡한 패턴과 중요한 구조를 만들기 위해 자체 구성하는지 더 잘 이해해야합니다."
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가능하기 전에 연구원들은 Job Dekker가“위대한 퍼즐”이라고 부르는 것에 대해 제안한 솔루션을 확인하고 육체해야합니다. Kleckner도 높은 희망을 가지고 있습니다. "이 작업은 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 완전히 새로운 사고 방식의 기초를 설정합니다."라고 그녀는 말했습니다.
