Πόσα γονίδια χρειάζονται τα κύτταρα; Ίσως Σχεδόν όλοι
Καταργώντας τρία γονίδια κάθε φορά, οι επιστήμονες έχουν συμπεράνει με κόπο τον ιστό των γενετικών αλληλεπιδράσεων που κρατά ένα κύτταρο ζωντανό. Οι ερευνητές προ πολλού εντόπισαν βασικά γονίδια χωρίς τα οποία τα κύτταρα ζυμομύκητα δεν μπορούν να ζήσουν, αλλά νέα εργασία, η οποία εμφανίζεται σήμερα στο Science , δείχνει ότι η εξέταση μόνο αυτών δίνει μια λοξή εικόνα για το τι κάνει τα κύτταρα να κολλάνε:Πολλά γονίδια που δεν είναι απαραίτητα από μόνα τους γίνονται κρίσιμα καθώς άλλα εξαφανίζονται. Το αποτέλεσμα υποδηλώνει ότι ο πραγματικός ελάχιστος αριθμός γονιδίων που χρειάζονται οι ζυμομύκητες - και ίσως, κατ' επέκταση, άλλοι πολύπλοκοι οργανισμοί - για να επιβιώσουν και να ευδοκιμήσουν μπορεί να είναι εκπληκτικά μεγάλος.
Πριν από περίπου 20 χρόνια, ο Charles Boone και η Brenda Andrews αποφάσισαν να κάνουν κάτι λίγο τρελοί. Οι βιολόγοι ζυμομύκητα, και οι δύο καθηγητές στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο, ξεκίνησαν να καταστρέψουν ή να βλάψουν συστηματικά τα γονίδια στη ζύμη, δύο-δύο, για να αποκτήσουν μια αίσθηση του πώς συνδέονται λειτουργικά τα γονίδια μεταξύ τους. Μόνο περίπου 1.000 από τα 6.000 γονίδια στο γονιδίωμα της ζύμης, ή περίπου το 17 τοις εκατό, θεωρούνται απαραίτητα για τη ζωή:Εάν λείπει ένα μόνο από αυτά, ο οργανισμός πεθαίνει. Αλλά φαινόταν ότι πολλά άλλα γονίδια των οποίων η ατομική απουσία δεν ήταν αρκετή για να γράψει το τέλος θα μπορούσαν, εάν καταστραφούν παράλληλα, να αρρωστήσουν ή να σκοτώσουν τη μαγιά. Αυτά τα γονίδια ήταν πιθανό να κάνουν την ίδια δουλειά στο κύτταρο, σκέφτηκαν οι βιολόγοι, ή να εμπλέκονται στην ίδια διαδικασία. Η απώλεια και των δύο σήμαινε ότι η μαγιά δεν μπορούσε πλέον να αντισταθμίσει.
Ο Boone και ο Andrews συνειδητοποίησαν ότι μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν αυτή την ιδέα για να καταλάβουν τι έκαναν διάφορα γονίδια. Αυτοί και οι συνεργάτες τους το έκαναν σκόπιμα, δημιουργώντας πρώτα περισσότερα από 20 εκατομμύρια στελέχη ζύμης από τα οποία έλειπαν δύο γονίδια - σχεδόν όλοι οι μοναδικοί συνδυασμοί νοκ-άουτ μεταξύ αυτών των 6.000 γονιδίων. Στη συνέχεια, οι ερευνητές βαθμολόγησαν πόσο υγιές ήταν καθένα από τα διπλά μεταλλαγμένα στελέχη και διερεύνησαν πώς θα μπορούσαν να σχετίζονται τα γονίδια που λείπουν. Τα αποτελέσματα επέτρεψαν στους ερευνητές να σχεδιάσουν έναν χάρτη του σκιώδους ιστού των αλληλεπιδράσεων που αποτελούν τη βάση της ζωής. Πριν από δύο χρόνια, ανέφεραν τις λεπτομέρειες του χάρτη και αποκάλυψαν ότι είχε ήδη επιτρέψει στους ερευνητές να ανακαλύψουν μέχρι πρότινος άγνωστους ρόλους για τα γονίδια.
Στην πορεία, ωστόσο, συνειδητοποίησαν ότι ένας εκπληκτικός αριθμός γονιδίων στο πείραμα δεν είχε καμία προφανή αλληλεπίδραση με άλλα. «Ίσως, σε ορισμένες περιπτώσεις, η διαγραφή δύο γονιδίων δεν είναι αρκετή», είπε ο Andrews, αναλογιζόμενος τις σκέψεις τους εκείνη την εποχή. Η Elena Kuzmin, μια μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο εργαστήριο που τώρα είναι μεταδιδακτορική στο Πανεπιστήμιο McGill, αποφάσισε να προχωρήσει ένα βήμα παραπέρα χτυπώντας ένα τρίτο γονίδιο.
Στην δημοσίευση σήμερα στο Science , οι Kuzmin, Boone, Andrews και οι συνεργάτες τους στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο, στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα και αλλού αναφέρουν ότι η προσπάθεια έχει αποφέρει ένα βαθύτερο και πιο λεπτομερή χάρτη της εσωτερικής λειτουργίας του κυττάρου. Σε αντίθεση με τα πειράματα διπλών μεταλλαγμάτων, οι ερευνητές δεν έκαναν κάθε δυνατό συνδυασμό μεταλλάξεων - υπάρχουν περίπου 36 δισεκατομμύρια διαφορετικοί τρόποι για να εξαλειφθούν τρία γονίδια στη ζύμη. Αντίθετα, εξέτασαν τα ζεύγη γονιδίων που είχαν ήδη αποκλείσει και βαθμολόγησαν τις αλληλεπιδράσεις τους ανάλογα με τη σοβαρότητα. Πήραν ορισμένα από αυτά τα ζεύγη, των οποίων τα αποτελέσματα κυμαίνονταν από το να κάνουν τα κύτταρα να αναπτύσσονται λίγο πιο αργά έως να τα κάνουν σημαντικά εξασθενημένα, και τα συνδύασαν ένα προς ένα με νοκ-άουτ άλλων γονιδίων, δημιουργώντας περίπου 200.000 τριπλά μεταλλαγμένα στελέχη. Παρακολούθησαν πόσο γρήγορα αναπτύχθηκαν οι αποικίες του μεταλλαγμένου ζυμομύκητα και αφού παρατήρησαν ποιοι μεταλλάκτες πάλευαν, έλεγξαν βάσεις δεδομένων για να δουν τι πιστεύεται ότι έκαναν τα γονίδια με αναπηρία.
Καθώς οι επιστήμονες έφτιαξαν τον νέο τους χάρτη, αρκετά πράγματα έγιναν ξεκάθαρα. Για το ένα, περίπου στα δύο τρίτα των τριπλών μεταλλαγμάτων που εμφάνισαν μια πρόσθετη γενετική αλληλεπίδραση, ο αποκλεισμός του τρίτου γονιδίου έτεινε να εντείνει τα προβλήματα που είχε ο διπλός μεταλλαγμένος. Τα ζεύγη γονιδίων μπορεί να δείχνουν ήδη κάποια αλληλεπίδραση μεταξύ τους, είπε ο Andrews, «αλλά ήταν πολύ πιο σοβαρό όταν διαγράψαμε ένα τρίτο γονίδιο». Ο Boone λέει ότι αυτές είναι πιθανό να είναι καταστάσεις στις οποίες η απώλεια ενός τρίτου γονιδίου προκαλεί ένα κρίσιμο πλήγμα σε ένα ήδη παραπαίου σύστημα.
Ωστόσο, το ένα τρίτο των αλληλεπιδράσεων ήταν εντελώς νέες. Και έτειναν να περιλαμβάνουν πιο ανόμοιες διαδικασίες. Σε διπλά μεταλλάγματα, οι λειτουργικές συνδέσεις μεταξύ γονιδίων έτειναν να είναι στενές:ένα γονίδιο που εμπλέκεται στην επιδιόρθωση του DNA συνήθως είχε συνδέσμους με άλλα γονίδια που εμπλέκονται επίσης στην επιδιόρθωση του DNA και γονίδια που είχαν αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους συνήθως αλληλεπιδρούσαν με τα ίδια άλλα γονίδια. Με τους τριπλούς μεταλλαγμένους, ωστόσο, πιο μακρινές εργασίες άρχισαν να συνδέονται μεταξύ τους. Ο αστερισμός των συνδεδεμένων εργασιών κινητής τηλεφωνίας μετατοπίστηκε και μεταμορφώθηκε διακριτικά.
«Ίσως αυτό που κάνουμε δειγματοληψία εδώ», είπε ο Andrews, «είναι κάποιες λειτουργικές συνδέσεις στο κελί που δεν μπορούσαμε να δούμε πριν».
Ένα σύνολο νέων συνδέσεων, για παράδειγμα, ήταν μεταξύ γονιδίων που εμπλέκονται στη μεταφορά πρωτεϊνών και γονιδίων που εμπλέκονται στην επιδιόρθωση του DNA. Επιφανειακά, είναι δύσκολο να δούμε τι θα συνέδεε αυτές τις δύο λειτουργίες. Και στην πραγματικότητα, οι ερευνητές δεν έχουν ακόμα μια μηχανιστική εξήγηση. Αλλά είναι σίγουροι ότι υπάρχει ένα. «Η άμεση αντίδρασή μας ήταν, «Λοιπόν, αυτό είναι κάπως τυχαίο», είπε ο Andrews. «Αλλά μάθαμε κατά τη διάρκεια αυτού του έργου ότι δεν είναι τυχαίο. Απλώς δεν καταλαβαίνουμε πώς συνδέεται το κελί."
Η ομάδα τους μόλις άρχισε να διερευνά αυτή τη σύνδεση μεταξύ της μεταφοράς πρωτεϊνών και της επιδιόρθωσης του DNA, αλλά σύμφωνα με τον Andrews, αν κοιτάξετε προσεκτικά αυτά τα κύτταρα ζύμης, στην πραγματικότητα δείχνουν μεγάλη βλάβη στο DNA. Ο χάρτης των συνδέσεων βοήθησε να επιστήσει την προσοχή τους σε αυτό:"Δεν θα υπήρχε λόγος να κοιτάξουμε πριν", είπε.
Οι γενετιστές ζύμης δεν είχαν ποτέ την εντύπωση ότι μόνο τα βασικά γονίδια είχαν σημασία. Αλλά το νέο έγγραφο ενισχύει την ιδέα ότι οι απλοϊκές ερμηνείες του τι είναι σημαντικό στο γονιδίωμα της ζύμης είναι πιθανό να είναι λανθασμένες. Η πραγματικότητα είναι πιο περίπλοκη, λένε οι Boone και Andrews. Προτείνουν ότι όταν λαμβάνονται υπόψη διπλές και τριπλές αλληλεπιδράσεις, ο αριθμός των γονιδίων που ένα κύτταρο ζυμομύκητα πραγματικά δεν μπορεί να κάνει χωρίς άλματα. Όπως σημειώνει το έγγραφό τους, το ελάχιστο γονιδίωμα που απαιτείται για τα κύτταρα ζυμομύκητα για την αποφυγή ενός ουσιαστικού ελαττώματος «μπορεί σχεδόν να πλησιάσει το πλήρες σύνολο γονιδίων που κωδικοποιούνται στο γονιδίωμα».
Πράγματι, οι πειραματικές προσπάθειες για την επινοήση ενός ελάχιστου γονιδιώματος για έναν μικροοργανισμό - για τον εντοπισμό του μικρότερου αριθμού γονιδίων που θα χρειαζόταν ένα κύτταρο για να επιβιώσει, ως ένα βήμα προς τη δημιουργία τεχνητών γονιδιωμάτων - έδειξαν ότι είναι εκπληκτικά δύσκολο να αφαιρεθούν γονίδια και να υπάρχει ακόμα ακμάζον πλάσμα.
Το 2016, ερευνητές στο Ινστιτούτο J. Craig Venter (JCVI) ανέφεραν τη δημιουργία ενός τεχνητού γονιδιώματος για το βακτήριο Mycoplasma genitalium, στο οποίο κατέκτησαν τα 525 γονίδιά του σε 473. Αλλά οι αρνητικές επιπτώσεις από την αφαίρεση φαινομενικά μη ουσιαστικών γονιδίων ήταν πράγματι ένα σοβαρό ζήτημα, σύμφωνα με τον Clyde A. Hutchison III, βιοχημικό και διακεκριμένο καθηγητή στο JCVI που συμμετείχε στην εργασία. "Αυτό ήταν το κύριο πρόβλημα για την επιλογή ενός συνόλου γονιδίων που θα σχεδιαστεί για ένα ελάχιστο γονιδίωμα", είπε.
Ο Joel Bader, βιολόγος συστημάτων στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins, λέει ότι η τρέχουσα εργασία υποδηλώνει μια ενδιαφέρουσα σύνδεση με μια ιδέα της ανθρώπινης γενετικής - ότι ένα ευρύ φάσμα γονιδίων μπορεί να επηρεάζει διακριτικά χαρακτηριστικά που κανονικά δεν συνδέουμε με αυτά. «Όσο πιο κοντά είμαστε σε θέση να κοιτάξουμε, τόσο περισσότερο μπορούμε να δούμε ότι η διαταραχή ενός γονιδίου ή μονοπατιού έχει αποτελέσματα που διαδίδονται σε ολόκληρο το σύστημα», είπε. "Τα αποτελέσματα γίνονται πιο αδύναμα, αλλά μπορούν ακόμα να μετρηθούν."
Όσο και αν η επιστήμη μπορεί να εξακολουθεί να έχει άγνοια για ορισμένα συμβάντα στη ζύμη, είναι νανωμένη από την άγνοιά μας για το τι συμβαίνει στα δικά μας κύτταρα. Μέρος αυτού που καθιστά δυνατό ένα έργο όπως αυτό στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο είναι ότι η ζύμη έχει μελετηθεί σε μεγάλο βαθμό και τα γονίδιά της έχουν σχολιαστεί περίπλοκα από πολλές γενιές βιολόγων, σε βαθμό που δεν έχει επιτευχθεί ακόμη με το ανθρώπινο γονιδίωμα, το οποίο είναι σχετικά τεράστιο, περιπλανώμενο. και γεμάτο μυστήρια. Ωστόσο, οι ερευνητές λένε ότι ελπίζουν ότι καθώς προχωρά η τεχνολογία επεξεργασίας γονιδίων για τα ανθρώπινα κύτταρα, αυτού του είδους τα πειράματα μπορούν να βοηθήσουν στην αποκάλυψη περισσότερων για τη λειτουργία των κυττάρων και το πώς τα γονίδια ενός γονιδιώματος σχετίζονται μεταξύ τους. "Νομίζω ότι υπάρχουν πολλοί βασικοί κανόνες της βιολογίας του γονιδιώματος που δεν έχουμε ανακαλύψει", είπε ο Andrews.
Διόρθωση:Αυτό το άρθρο ενημερώθηκε στις 20 Απριλίου για να περιλαμβάνει αναφορά στις συνεισφορές επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο της Μινεσότα στο νέο Επιστήμη χαρτί. Η πίστωση για τον χάρτη των γονιδιακών αλληλεπιδράσεων διορθώθηκε επίσης στις 23 Απριλίου για να γράψει "Anastasia Baryshnikova, Πανεπιστήμιο του Τορόντο".
