บทความอายุยืน

การศึกษาใหม่ของ MIT เผยตัวตนของเซลล์และหน่วยความจำ Epigenetic

การศึกษาใหม่ของ MIT เผยตัวตนของเซลล์และหน่วยความจำ Epigenetic
  • การศึกษาใหม่ของ MIT ตั้งทฤษฎีว่าเซลล์รักษาเอกลักษณ์ของตัวเองไว้ได้อย่างไร โดยเสนอว่าโครงสร้างจีโนม 3 มิติของเซลล์จะเป็นแนวทางในการฟื้นฟูเครื่องหมายอีพิเจเนติกส์ที่หายไประหว่างการแบ่งเซลล์ 
  • การพับจีโนมแบบ 3 มิติถือเป็นหัวใจสำคัญของความสามารถของเซลล์ในการเก็บและส่งต่อความทรงจำของเซลล์ที่ควรแสดงยีนออกมา
  • กลไกนี้ช่วยให้เซลล์จดจำประเภทเฉพาะของมันได้ โดยมีผลกระทบต่อการทำความเข้าใจโรคและกระบวนการชรา 

บทความนี้ถูกโพสต์บน scitechdaily.com:
การศึกษาของ mit ชี้ให้เห็นว่าการพับจีโนมแบบ 3 มิติเป็นกุญแจสำคัญต่อความสามารถของเซลล์ในการเก็บและส่งต่อ "ความทรงจำ" ของยีนที่พวกมันควรแสดงออก

ทุกเซลล์ในร่างกายมนุษย์มีคำสั่งทางพันธุกรรมเหมือนกัน ซึ่งเข้ารหัสไว้ใน dna ของมัน อย่างไรก็ตาม จากยีนประมาณ 30,000 ยีน แต่ละเซลล์แสดงออกเฉพาะยีนที่จำเป็นในการเป็นเซลล์ประสาท เซลล์ภูมิคุ้มกัน หรือเซลล์อื่นๆ ในหลายร้อยประเภทในร่างกาย

ชะตากรรมของเซลล์แต่ละเซลล์ส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยการดัดแปลงทางเคมีกับโปรตีนที่ตกแต่ง dna ของมัน การปรับเปลี่ยนเหล่านี้จะควบคุมว่ายีนใดจะถูกเปิดหรือปิด เมื่อเซลล์คัดลอก dna เพื่อแบ่ง เซลล์จะสูญเสียการเปลี่ยนแปลงไปครึ่งหนึ่ง ทิ้งคำถามไว้ว่า เซลล์จะรักษาความทรงจำของเซลล์ที่ควรจะเป็นได้อย่างไร

การพับจีโนมและหน่วยความจำเซลล์
การศึกษาใหม่ของ mit เสนอแบบจำลองทางทฤษฎีที่ช่วยอธิบายว่าความทรงจำเหล่านี้ถูกส่งผ่านจากรุ่นสู่รุ่นเมื่อเซลล์แบ่งตัวอย่างไร ทีมวิจัยชี้ให้เห็นว่าภายในนิวเคลียสของเซลล์แต่ละเซลล์ การพับจีโนมแบบ 3 มิติจะกำหนดว่าส่วนใดของจีโนมจะถูกทำเครื่องหมายโดยการดัดแปลงทางเคมีเหล่านี้ หลังจากที่เซลล์คัดลอก dna เครื่องหมายดังกล่าวจะหายไปบางส่วน แต่การพับแบบ 3 มิติช่วยให้เซลล์สามารถคืนเครื่องหมายทางเคมีที่จำเป็นต่อการรักษาเอกลักษณ์ได้อย่างง่ายดาย และในแต่ละครั้งที่เซลล์แบ่งตัว เครื่องหมายทางเคมีจะทำให้เซลล์สามารถฟื้นฟูการพับจีโนมแบบ 3 มิติได้ ด้วยวิธีนี้ โดยการสลับหน่วยความจำระหว่างการพับ 3 มิติกับเครื่องหมาย ทำให้สามารถรักษาหน่วยความจำไว้ได้มากกว่าการแบ่งเซลล์หลายร้อยเซลล์

“ลักษณะสำคัญที่ทำให้ประเภทเซลล์แตกต่างกันคือการเปิดหรือปิดยีนที่ต่างกัน เป็นเรื่องยากมากที่จะเปลี่ยนเซลล์ประเภทหนึ่งไปเป็นอีกประเภทหนึ่งเนื่องจากรัฐเหล่านี้มีความมุ่งมั่นอย่างมาก” Jeremy Owen PhD '22 ผู้เขียนหลักของการศึกษากล่าว “สิ่งที่เราทำในงานนี้คือการพัฒนาแบบจำลองง่ายๆ ที่เน้นคุณลักษณะเชิงคุณภาพของระบบเคมีภายในเซลล์ และวิธีการทำงานเพื่อสร้างความทรงจำเกี่ยวกับการแสดงออกของยีนให้คงที่”


Leonid Mirny ศาสตราจารย์ในสถาบันวิศวกรรมการแพทย์และวิทยาศาสตร์ของ MIT และภาควิชาฟิสิกส์เป็นผู้เขียนอาวุโสของบทความนี้ซึ่งได้รับการตีพิมพ์เมื่อเร็ว ๆ นี้ในวารสาร ศาสตร์- Dino Osmanović อดีตนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ศูนย์ฟิสิกส์ระบบสิ่งมีชีวิตของ MIT ก็เป็นผู้เขียนงานวิจัยนี้เช่นกัน

รักษาความจำอีพีเจเนติกส์

ภายในนิวเคลียสของเซลล์ dna ถูกพันรอบโปรตีนที่เรียกว่าฮิสโตน ซึ่งก่อให้เกิดโครงสร้างที่อัดแน่นเรียกว่าโครมาติน ฮิสโตนสามารถแสดงการเปลี่ยนแปลงต่างๆ ที่ช่วยควบคุมว่ายีนใดจะแสดงออกมาในเซลล์ที่กำหนด การปรับเปลี่ยนเหล่านี้สร้าง "หน่วยความจำอีพิเจเนติก" ซึ่งช่วยให้เซลล์รักษาประเภทเซลล์ไว้ได้ อย่างไรก็ตาม การที่ความทรงจำนี้ส่งต่อไปยังเซลล์ลูกสาวได้อย่างไรนั้นค่อนข้างจะลึกลับ

งานก่อนหน้านี้โดยห้องปฏิบัติการของ mirny ได้แสดงให้เห็นว่าโครงสร้าง 3 มิติของโครโมโซมนั้นถูกกำหนดโดยการดัดแปลงหรือเครื่องหมายของอีพีเจเนติกส์ในระดับที่ดี โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พวกเขาพบว่าบริเวณโครมาตินบางแห่งซึ่งมีเครื่องหมายบอกเซลล์ไม่ให้อ่านส่วนใดส่วนหนึ่งของ dna จะดึงดูดกันและก่อตัวเป็นกระจุกหนาแน่นที่เรียกว่าเฮเทอโรโครมาติน ซึ่งยากสำหรับเซลล์ในการเข้าถึง

ในการศึกษาครั้งใหม่ mirny และเพื่อนร่วมงานของเขาต้องการตอบคำถามว่าเครื่องหมาย epigenetic เหล่านั้นได้รับการดูแลจากรุ่นสู่รุ่นอย่างไร พวกเขาพัฒนาแบบจำลองการคำนวณของพอลิเมอร์ที่มีบริเวณที่ทำเครื่องหมายไว้สองสามจุด และเห็นว่าบริเวณที่ทำเครื่องหมายไว้เหล่านี้ยุบตัวเข้าหากัน กลายเป็นกระจุกหนาแน่น จากนั้นพวกเขาก็ศึกษาว่าเครื่องหมายเหล่านี้หายไปและได้รับมาอย่างไร

เมื่อเซลล์คัดลอก dna เพื่อแบ่งระหว่างเซลล์ลูกสาว 2 เซลล์ แต่ละเซลล์จะมีเครื่องหมายอีพิเจเนติกส์ประมาณครึ่งหนึ่ง เซลล์จำเป็นต้องฟื้นฟูรอยที่หายไปก่อนที่ dna จะถูกส่งไปยังเซลล์ลูก และวิธีที่โครโมโซมถูกพับทำหน้าที่เป็นพิมพ์เขียวสำหรับจุดที่รอยที่เหลืออยู่เหล่านี้ควรไป

การปรับเปลี่ยนเหล่านี้ถูกเติมโดยเอนไซม์เฉพาะที่เรียกว่าเอนไซม์ "ผู้อ่าน-ผู้เขียน" เอนไซม์แต่ละตัวมีความเฉพาะเจาะจงสำหรับเครื่องหมายเฉพาะ และเมื่อพวกมัน "อ่าน" เครื่องหมายที่มีอยู่ มันก็จะ "เขียน" เครื่องหมายเพิ่มเติมที่ตำแหน่งใกล้เคียง หากโครมาตินถูกพับเป็นรูปร่าง 3 มิติอยู่แล้ว เครื่องหมายจะสะสมในบริเวณที่มีการดัดแปลงที่สืบทอดมาจากเซลล์ต้นกำเนิดแล้ว

“มีหลักฐานหลายบรรทัดที่ชี้ให้เห็นว่าการแพร่กระจายสามารถเกิดขึ้นได้ในรูปแบบ 3 มิติ ซึ่งหมายความว่าหากมีสองส่วนที่อยู่ใกล้กันในอวกาศ แม้ว่าจะไม่ได้อยู่ติดกันตาม DNA ก็ตาม การแพร่กระจายก็สามารถเกิดขึ้นจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้ ” โอเว่นกล่าว “นั่นคือวิธีที่โครงสร้าง 3 มิติสามารถมีอิทธิพลต่อการแพร่กระจายของเครื่องหมายเหล่านี้”

กระบวนการนี้คล้ายคลึงกับการแพร่กระจายของโรคติดเชื้อ เนื่องจากยิ่งบริเวณโครมาตินมีการติดต่อกับบริเวณอื่นๆ มากเท่าใด ก็มีแนวโน้มว่าจะมีการเปลี่ยนแปลงมากขึ้น เช่นเดียวกับที่แต่ละบุคคลมีแนวโน้มที่จะติดเชื้อมากขึ้นเมื่อจำนวนการติดต่อเพิ่มขึ้น ในการเปรียบเทียบนี้ บริเวณที่หนาแน่นของโครมาตินที่ทำเครื่องหมายไว้นั้นเปรียบเสมือนเมืองที่ผู้คนมีปฏิสัมพันธ์ทางสังคมมากมาย ในขณะที่จีโนมที่เหลือนั้นเทียบได้กับพื้นที่ชนบทที่มีประชากรเบาบาง

“นั่นหมายความว่ารอยต่างๆ จะแพร่กระจายไปในพื้นที่หนาแน่น และจะกระจัดกระจายไปทุกที่ด้านนอก” Mirny กล่าว

อ้างอิง: “หลักการออกแบบของระบบหน่วยความจำอีพีเจเนติกส์ 3 มิติ” โดย jeremy a. owen, dino osmanović และ leonid mirny, 17 พฤศจิกายน 2023, ศาสตร์.
ดอย: 10.1126/science.adg3053
การวิจัยได้รับทุนจากสถาบันวิจัยจีโนมมนุษย์แห่งชาติ สถาบันวิทยาศาสตร์การแพทย์ทั่วไปแห่งชาติ และมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ



โพสต์เก่ากว่า โพสต์ใหม่กว่า