세포의 핵은 새끼 고양이로 가득 찬 골판지 상자와 공통점이 있습니다. 사람들은 내용에 너무 매료되어 용기가 내려다 보입니다. 핵 자체는 종종 무한한 역동적 인 유전자 물질을 유지하기위한 특징이없는 막이 가방으로 취급된다. 그러나 실제로 그것은 특수 부품과 그 자체의 내부 아키텍처를 가지고 있으며, 과학자들은 오랫동안 DNA가 어떻게 그러한 부분과 관련하여 자신을 배치하는지 정확하게 추측 해 왔습니다.
이제 연구원 팀은 이것이 사실이며 유전자 발현에 중요한 영향이라는 신뢰할 수있는 증거를 찾고 있습니다. 게놈 편집 도구 CRISPR을 기반으로 한 새로운 기술을 사용하여 세포 DNA의 일부를 핵의 다른 영역에 인위적으로 고정시키고 일어난 일을 관찰했습니다. 지난 달 Cell 에 출판 된이 작품 , 다양한 핵 이웃이 원인 또는 촉진자로서 유전자 발현과 어떻게 관련 될 수 있는지에 대한 흥미로운 통찰력을 얻기 시작했다.
인간 세포의 작은 핵 안에 복잡하게 번들 된 6 피트의 DNA는 스파게티 공이나 얽힌 실처럼 혼란스러워 보일 수 있습니다. 그러나 DNA가 3 차원 공간에 위치하는 방법은 전혀 무작위가 아니라 중요합니다. 포장 및 폴딩 정도는 적시에 적절한 위치에서 유전자에 접근 할 수있게하여 세포의 기계가 찾아 해독하고 활동을 위 또는 아래로 다이얼하며 모든 것을 계속 작동시킬 수 있도록합니다. 이러한 재 배열은 또한 게놈의 특정 부분을 핵 내의 랜드 마크 근처 또는 멀리 떨어 뜨립니다.
그 핵 위치에서 DNA의 위치가 우연이 아닐 수 있다는 강화 증거가있었습니다. 단단히 상처를 입은 무음 유전자는 핵 주변을 향해 위치하는 경향이있는 반면, 개방적이고 활성 DNA는 내부를 향해 집을 만듭니다. 발달하는 동안, 세포가 분화됨에 따라 DNA는 스스로 재구성됩니다. 일부 유전자가 억압 된 상태에서 활성 상태로 이동함에 따라 주변에서 멀어지는 것으로 밝혀졌습니다. 즉, 주변에서 일반적으로 발견되는 다른 유전자 영역은 항상 존재하지 않으며, 움직일 때 여전히 동일한 수준의 활동을 보여줍니다.
.따라서 생물 학자들은 DNA의 응축 구조와 발현이 핵 위치와 어떻게 관련되어 있는지, 그리고 효과보다는 원인이 될 수있는 방법에 대해 토론했다. 특정 프로파일을 갖는 비활성 유전자는 주변으로 끌어 당기거나 주변 자체가이를 침묵시키는 데 책임이있을 수 있습니다. 이러한 고려 사항은 핵의 중심을 향해 훨씬 더 복잡해지며, 이는 핵 (단백질 생산을 위해 리보솜을 조립하는) 및 Cajal 바디 (RNA 스플 라이스에 도움이되는)와 같은 다양한 핵 신체에 의해 정의 된 많은 다른 도메인을 포함합니다. 그들의 기능도 혼란을 일으키기가 어려웠습니다. 다시 한번, 상관 관계가 많지만 인과 관계를 고정시키는 것은 다른 이야기입니다.
.캘리포니아 기술 연구소 (California Institute of Technology)의 생물 학자 인 미첼 구트 만 (Mitchell Guttman)은“이것은 수십 년 동안 게놈 조직과 핵 구조 및 유전자 규제에 관한 연구의 진원지의 질문이었다.
그리고 지난 4 년간 Stanford University의 BioEngineer 인 Stanley Qi와 그의 동료들은 과학자들이 이러한 질문에 대답하기 시작할 수있는 방법을 포장하고 있습니다. 그들은 유전자를 편집하고 전사를 조절하며 세포 과정의 이미지를 촬영하는 데 널리 사용 된 시스템 인 CRISPR로 전환했습니다. 이제 그들은 게놈에 대한 공간 제어를 위해이를 활용하는 방법을 혁신했습니다. 그들은 프로세스 CRISPR-GO (GO가“Genome Organization”을 의미 함)라고 불렀습니다. Qi는“이것은 CRISPR 기술의 광범위한 확장입니다. 5 년 전에 시작했지만 여전히 느려지지 않습니다.”
.이 방법은 연구자들이 움직이고 자하는 유전자에 벨크로 스트립을 놓는 것과 비슷하게 작동하며, 유전자를 이동하려는 핵 몸체의 다른 스트립. DNA가 지나갈 때, 두 개의 해당 벨크로 조각이 함께 붙어 있습니다.
보다 구체적으로, 과학자들은 특정 DNA 서열을 표적으로하기 위해 분자 복합체 CRISPR/CAS9 (게놈 비활성화 된 게놈을 절단하는 능력)를 사용한다. 단백질의 일부는 복합체에 부착되며, 두 번째 부분은 핵 내에서 선택된 구조에 부착된다. DNA가 사업을 진행하면서 평소와 같이 움직이고 이동함에 따라 연구원들은 단백질 단편과 연결되어 결합하고 DNA를 새로운 위치에 연결하는 "유도제"분자를 추가합니다. 유도제를 제거하면 DNA가 다시 떠나도록 해방됩니다.
이전에는 연구원 들이이 결과를 달성하기 위해 다른 기술을 사용했습니다. 그러나, 그들은 관심있는 유전자 옆에 길고 반복적 인 박테리아 또는 합성 서열을 통합하기 위해 특수 세포주를 설계해야했다. 시스템은 사용하기가 어려웠고 범위가 제한되었으며,이 방법의 침습적 특성은 실험 자체가 결과에 영향을 줄 수 있음을 의미했습니다. 그러한 연구가 일관되지 않은 결과를 낳았을 때 - 일부는 핵 주변에 DNA를 모집하는 것이 유전자 침묵을 초래했다고 결론 지었다. 예를 들어 다른 사람들은 그러한 영향을 미치지 않았다. 연구원들은 그들을 해석하기 위해 고군분투했다.
그러나 CRISPR-GO는 과학자들이 게놈을 수정하도록 요구하지 않으며 DNA의 모든 영역을 정확하게 표적으로 표적 할 수 있습니다. 뉴욕의 콜드 스프링 하버 실험실의 분자 생물 학자 인 데이비드 스펙터 (David Spector)는“이것은 훨씬 더 온화한 접근 방식입니다. “그리고 더 우아합니다.”
CRISPR-GO를 사용하면 과학자들은 이제 핵 신체가 실제로 무엇을하고 있는지 탐구하는 도구 상자를 가지고 있습니다. 특정 유전자의 활동에 영향을 미치거나 건강과 질병에서 어떤 역할을하는지
.Qi와 그의 팀은 그것이 어떻게 작동 할 수 있는지 보여주었습니다. 그들은 먼저 다른 핵 기관이 그들 자신의 역학을 보여 주었다는 것을 언급했다. 예를 들어, 그들이 핵 주변으로 DNA를 재배치했을 때, DNA는 움직이는 일이었고, 그 과정은 거의 하루가 걸렸습니다. 그러나 그들이 게놈의 섹션을 카잘 몸으로 이전했을 때, 후자는 몇 분 안에 전자에게 갔다. QI에 따르면, 이러한 발견은 핵의 특정 부분에서 오래 지속되거나 일시적인 활성화 및 억압이 얼마나 오래 지속될 수 있는지, 그리고 DNA 상호 작용이 얼마나 적극적으로 유지되는지에 대한 정보를 밝힐 수 있습니다.
이전 연구가 또한 보여 주듯이, Qi와 그의 동료들은 다른 유전자가 아닌 일부 유전자에 대해 공간 관계가 존재하는 것으로 보인다. 그럼에도 불구하고 그들은 장거리 효과를 포함하여 놀라운 링크를 발견했습니다. 예를 들어, 일부 단백질 코딩 유전자를 Cajal 신체로 옮기는 것은 그들의 활동과 수백 킬로베이스에 위치한 DNA의 활성을 억제했습니다.
이 팀은 또한 유전자의 비 코딩 영역, 조절 서열 또는 대다수의 DNA를 구성하는 다른 기능을 보았습니다. 그들은 텔로미어, 세포 수명과 관련된 염색체의 팁에 위치한 DNA 섹션에 초점을 맞추었다. 텔로미어가 핵 주변으로 재배치되었을 때, 세포 분열은 거의 중단됩니다. 그러나 텔로미어를 카잘 몸에 가깝게 움직이는 것은 반대의 효과에 불과하여 세포가 자라서 훨씬 더 빨리 나뉘어졌습니다.
Qi는“이것은 핵에서 텔로미어의 위치가 세포가 적절한 세포주기를 마치는 데 중요하다는 것을 의미한다. 그는 Cajal 기관이 이전에 텔로미어의 길이를 유지하는 데 도움이되는 효소를 생산하는 것으로 나타 났기 때문에이 영향을 미쳤을 것이라고 추측합니다. "우리는 우리가 소비자 시장과 제조 공장을 공동으로 국소화하고 있다고 생각합니다."
그러나 연구자들은 여전히 이러한 효과가 발생한 이유를 뿌리 내야합니다. 그들은 다양한 세포 유형에서 다양한 유전자와 핵 신체를 표적으로하는 추가 실험을 수행해야하며, 유전자 발현에 미치는 영향뿐만 아니라 게놈 안정성 및 기타 요인에 대한 효과를 테스트하여 게놈이 어떻게 구성되는지를 찾아야합니다. Guttman은 최소한“추가 수준의 제어를 구축하는 것”이라고 Guttman은 말했다. "활성 및 비활성 영토를 만들어 핵은 전사가 켜져 있어야하는 유전자를 비정상적으로 끄는 것을 침묵시키는 단백질을 방지 할 수 있으며 그 반대도 마찬가지입니다."
.스위스의 Friedrich Miescher Biomedical Research Institute의 분자 생물 학자 인 Susan Gasser는 전문가들은 핵의 위치가 DNA 복구와 같은 매우 특정한 과정에서 중요하다는 것을 알게 될 것이라고 생각합니다. 그러나 많은 시간은“유전자 발현을 미세 조정합니다.” DNA 자체의 개방형 또는 응축 상태는 더 영향력이있을 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 Crispr-Go는 그 아이디어를 테스트하는 데 사용될 수 있다고 그녀는 말했다.
또한 개발 및 질병에서 핵 조직의 역할을 조사하는 데 도움이 될 수 있습니다. 병리학 자들은 핵 형태를 오랫동안 진단 도구로 사용해 왔으며, 특정 핵 신체의 수가 증가하는 것처럼 변경된 상태 및 암 및 기타 조건과 관련이 있습니다. 그러나 이것이 질병의 결과인지 그 원인인지는 확실하지 않았습니다.
이제 Qi는 그와 다른 사람들이 찾을 수있는 위치에 있다고 생각합니다. 어느 날 그는이 시스템이 탐사와 기본 연구뿐만 아니라 치료 수단으로 사용될 수 있다고 말했다.
그럼에도 불구하고 일부 전문가들은 여전히 예약이 있습니다. Urbana-Champaign에있는 일리노이 대학교의 세포 생물학자인 Andrew Belmont는 연구자들이 자신의 기술이 세포의 자연 과정을 정확하게 반영하고 테 더링 절차의 인공적인 결과가 아니라는 것을 확인해야한다고 경고합니다. 그와 그의 동료들은 몇몇 다른 그룹들과 함께 그 우려를 해결하기위한 대체 시스템을 개발했으며, 여기에는 자연 서열을 이미 하나의 핵 신체와 관련이있는 대상 DNA 영역에 삽입하는 것이 포함됩니다. 그럼에도 불구하고 그는 Crispr-Go가 큰 발전을 대표한다는 데 동의합니다.
Guttman은 동의했다. "나는 이것이이 분야의 많은 사람들이 정말로 오래되고 중요한 질문을 해독하기 시작할 수있는 엄청나게 강력한 도구가 될 것으로 기대한다"고 그는 말했다.
