Naukowcy ze Szwajcarii zastosowali nową metodę algorytmiczną w celu zbadania sposobu, w jaki komórki nowotworowe reorganizują strukturę 3D swojego DNA, po to aby zwiększyć aktywność onkogenów. Naukowcy skupili się głównie na chromosomach i tym, w jaki sposób są one zorganizowane w ciasnej przestrzeni jądra komórkowego. Wyjaśnili też, w jaki sposób zmiany w białkach histonowych wywołują rozmieszczenie rejonów chromatyny w jądrze komórkowym.
Nowotwory są bardzo często trudne do zdiagnozowania i leczenia. Komórki rakowe rozmnażają się w sposób niekontrolowany, tworząc zupełnie nowe tkanki zwane guzami. Dochodzi do licznych zaburzeń biologicznych: drastycznych zmian procesów molekularnych oraz mutacji genów, czyli zmiany w kodzie genetycznym DNA. Wiele elementów wtedy nie działa prawidłowo na różnych poziomach.
Nie bez powodu naukowcy koncentrują się na genomie, czyli tam gdzie wszystkie nowotwory mają swój początek. Jeśli zrozumiemy co dzieje się na poziomie DNA, być może w przyszłości będziemy mogli nie tylko leczyć nowotwory, ale także im zapobiegać.
W ramach współpracy szwajcarskich naukowców z Politechniki Federalnej w Losannie (EPFL) oraz Uniwersytetu w Lozannie (UNIL), wykorzystano nową metodę algorytmiczną w celu zrozumienia sposobu, w jaki komórki nowotworowe zmieniają trójwymiarową strukturę swojego DNA podczas zwiększenia aktywności onkogenów.
Badania koncentrują się na chromosomach, w których zamknięte jest nasze DNA, a także ich organizacji w ciasnej przestrzeni jądra komórkowego. Każda z komórek naszego ciała ma około dwóch metrów DNA, a nasz organizm przechowuje je w odpowiedni sposób, owijając je wokół białek histonowych, tak jak sznurek nawijany na jojo.
A ten dobrze zabezpieczony i chroniony kompleks DNA wraz z białkami histonowymi to chromatyna. Kilka chromatyn tworzy strukturę chromosomów. Każda prawidłowa komórka posiada 23 chromosomy i dwie kopie każdego chromosomu, a w komórkach nowotworowych ich struktura i organizacja ulegają zmianie. Na przykład, fragment kopii chromosomu 8 może być połączona z kopią chromosomu 14. Chromosom może przybrać bardziej luźną lub zwartą strukturę, w zależności od zmian chemicznych zwanych „znakami epigenetycznymi”.
Grupa naukowców badała w jaki sposób zmiany w specyficznych znakach epigenetycznych zmieniają struktury chromosomów i ekspresję onkogenów, które wpływają na wzrost nowotworów.
Szwajcarscy badacze z Uniwersytetu w Lozannie, aby dobrze zrozumieć rozmieszczenie rejonów genomowych w jądrze komórkowym, opracowali nowe algorytmiczne podejście o nazwie Calder (od nazwiska amerykańskiego rzeźbiarza Alexandra Caldera). Metoda Caldera została użyta do porównania przestrzennej organizacji genomu w ponad 100 próbkach.
Rozmieszczenie to nie jest statyczne i podobnie jak ruchome rzeźby Alexandra Caldera, może zmieniać układ swoich elementów. Badacze użyli Caldera do wykrycia rejonów chromatyny, które z powodu zmian w znakach epigenetycznych (czyli znakach odpowiedzialnych za ekspresję genów) „przemieściły się” z jednego obszaru jądra do drugiego.
Tymczasem zespół naukowców z EPFL użył Caldera do wykrycia zmian struktury chromatyny 3D w komórkach prawidłowych i komórkach chłoniaka B-komórkowego. Odkryto także, że w komórkach chłoniaka specyficzne zmiany epigenetyczne prowadzą do repozycjonowania regionów chromatyny w różnych obszarach jądra, co skutkuje nowymi miejscowymi interakcjami, które z kolei nadmiernie aktywują ekspresję onkogenów.
Grupa badaczy odkryła również, że gdy dwa fragmenty różnych chromosomów zostają przerwane i zamienione, przyjmują trójwymiarową strukturę (3D), która różni się od normalnych kopii. Istotne jest, że zmiany te w strukturze 3D odpowiadają różnym znacznikom epigenetycznym i indukują wysoką ekspresję genów wspierających rozwój komórek nowotworowych.
Przez większość czasu naukowcy wyobrażali sobie ludzkie DNA jako długą, liniową cząsteczkę. A dopiero niedawno zaczęto rozumieć, w jaki sposób jego trójwymiarowa organizacja (3D) zmienia się w komórkach nowotworowych. Uwzględnienie przestrzennej organizacji DNA w jądrze rzuca nowe światło na to, jak powstają komórki nowotworowe i jak terapeutyczna modulacja znaków epigenetycznych może zablokować rozwój nowotworu.
