כיצד תנועת ה-DNA שולטת בפעילות הגנים

איך DNA משתלב בגרעין התא

אורגניזמים חיים כמו בני אדם בנויים על גנים המאוחסנים ב-DNA – התוכנית המולקולרית שלנו. DNA הוא פולימר, מולקולה ענקית של חלקים בודדים קטנים יותר (מונומרים). הוא ממוקם בגרעין של כל תא. "בהתאם לאורגניזם, פולימר ה-DNA יכול להיות באורך של עד מטרים, אך גודלו של הגרעין הוא בסדר גודל של מיקרונים", מסביר ברוקנר. כדי להשתלב בגרעין הזעיר, ה-DNA נדחס על ידי סלילתו כאילו על סליל ונדחס נוסף לצורה הידועה של הכרומוזומים, שכולנו נתקלנו בו בספר לימוד ביולוגיה.

"למרות היותם דחוסים מאוד, הכרומוזומים אינם סטטיים; הם מתנועעים כל הזמן", ממשיך הפיזיקאי. הדינמיקה הזו חשובה מאוד. בכל פעם שיש להפעיל גן ספציפי, שני אזורים על הפולימר הנקראים "משפר" ו"מקדם" צריכים לבוא במגע קרוב ולהיקשר זה לזה. רק כשזה קורה, מנגנון תאי קורא את המידע של הגן ויוצר את מולקולת ה-RNA, שבסופו של דבר מולידה חלבונים החיוניים לכל התהליכים שאורגניזם חי דורש.

בהתאם לאורגניזם, המשפר והמקדם יכולים להיות די רחוקים זה מזה בכרומוזום. "עם שיטות שהשתמשו בהן בעבר, אתה יכול לקבל תצוגה סטטית של המרחק בין האלמנטים האלה, אבל לא איך המערכת מתפתחת עם הזמן", מסביר ברוקנר. מסקרנים מהמידע החסר הזה, המדענים יצאו לבחון את האופן שבו אלמנטים אלה מאורגנים וכיצד הם נעים במרחב התלת-ממדי בזמן אמת.

הדמיית אזורי גנים

כדי להשיג מטרה זו, המדענים הניסיוניים מפרינסטון הקימו שיטה לעקוב אחר שני מרכיבי ה-DNA הללו לאורך פרק זמן מסוים בעובר זבוב. באמצעות מניפולציה גנטית, רכיבי ה-DNA סומנו בצורה ניאון, כאשר אזור המשפר מאיר בירוק והפרומוטור בכחול. באמצעות הדמיה חיה (מיקרוסקופ זמן-lapse של תאים חיים) הצליחו המדענים לדמיין את כתמי הפלורסנט בעוברי זבובים כדי לראות כיצד הם מסתובבים כדי למצוא זה את זה.

ברגע ששני הכתמים הגיעו לקרבה, הגן הופעל ונורה אדומה נוספת נדלקה כאשר ה-RNA תויג גם עם פלואורפורים אדומים. ברוקנר מוסיף בהתרגשות, "קיבלנו קריאה ויזואלית של מתי המשפר והמקדם יצרו קשר. זה נתן לנו מידע רב על המסלולים שלהם".

DNA ארוז בצפיפות ומציג תנועה מהירה

האתגר אז היה כיצד לנתח את מערך הנתונים העצום הזה של תנועה סטוכסטית. הרקע שלו בפיזיקה תיאורטית אפשר לברוקנר לחלץ נתונים סטטיסטיים כדי להבין את ההתנהגות האופיינית של המערכת. הוא יישם שני מודלים פיזיקליים פשוטים ושונים כדי לחתוך את הנתונים.

אחד מהם היה הדגם של רוז. היא מניחה שכל מונומר של הפולימר הוא קפיץ אלסטי. הוא מנבא מבנה רופף ודיפוזיה מהירה – תנועה אקראית, שבה מדי פעם אזורי הגנים נתקלים זה בזה. הדגם השני נקרא "הכדור הפרקטלי". הוא מנבא מבנה קומפקטי מאוד ולכן דיפוזיה איטית. "למרבה ההפתעה, מצאנו בנתונים שהמערכת מתוארת על ידי שילוב של שני המודלים הללו – מבנה צפוף מאוד שהיית מצפה בהתבסס על מודל הכדוריות הפרקטליות, ודיפוזיה שמתוארת על ידי הסטטיסטיקה ממודל Rouse." ברוקנר מסביר.

בשל השילוב של אריזה צפופה ותנועה מהירה, הקישור של שני אזורי גנים אלה תלוי הרבה פחות במרחק שלהם לאורך הכרומוזום ממה שצפו קודם לכן. "אם מערכת כזו נמצאת במצב נזיל ודינמי כל הזמן, התקשורת למרחקים ארוכים הרבה יותר טובה ממה שאולי חשבנו", מוסיף ברוקנר.

מחקר זה מפגיש בין עולמות הביולוגיה והפיזיקה. עבור פיזיקאים זה מעניין, כי המדענים בדקו את הדינמיקה של מערכת ביולוגית מורכבת עם תיאוריות פיזיקליות שקיימות כבר זמן רב; ולביולוגים, זה נותן תובנות לגבי המאפיינים של כרומוזום, מה שעשוי לעזור להבין את האינטראקציה של הגנים והפעלת הגנים ביתר פירוט.