قطرات مجهرية تكشف عن البنية السرية للحمض النووي

ستة أقدام من الإنسان الحمض النووي تعتمد هذه الجسيمات المحشورة في نواة صغيرة على نظام أنيق من الجسيمات النووية والألياف والمكثفات المفصولة بمراحل عالية التنظيم.

لقد التقط العلماء الآن الصور الأكثر تفصيلاً حتى الآن لكيفية ترتيب ألياف الكروماتين والجسيمات النووية داخل هذه الهياكل الشبيهة بالقطيرات، مما يكشف عن كيفية تحديد البنية الجزيئية لسلوك المكثفات.

كيف تناسب الخلايا ستة أقدام من الحمض النووي في نوى صغيرة

داخل كل خلية بشرية، تواجه البيولوجيا تحديًا غير عادي: تعبئة ما يقرب من ستة أقدام من الحمض النووي في نواة لا يزيد عرضها عن عُشر شعرة الإنسان، كل ذلك مع الحفاظ على المادة الوراثية وظيفية بكامل طاقتها.

ولتحقيق هذا المستوى من الضغط، يلتف الحمض النووي حول البروتينات لتكوين الجسيمات النووية. ترتبط هذه النيوكليوسومات مثل الخرز على الخيط، مما يخلق خيوطًا طويلة تطوى لتشكل ألياف الكروماتين. ثم تنضغط الألياف بشكل أكبر لتتلاءم مع النواة.

لسنوات، لم يعرف العلماء بالضبط كيف حدثت هذه المرحلة النهائية من الضغط. تغير ذلك في عام 2019، عندما أظهر مايكل روزن، الباحث في معهد HHMI وزملاؤه في المركز الطبي الجنوبي الغربي لجامعة تكساس، أن الجسيمات النووية المصنعة في المختبر يمكن أن تتجمع في قطرات بدون أغشية تسمى المكثفات. واكتشفوا أن هذا يحدث من خلال فصل الطور – وهي عملية مشابهة لقطرات الزيت التي تتشكل في الماء – والتي قد تعكس كيفية تعبئة الكروماتين بكثافة داخل الخلايا الحية.

https://www.youtube.com/<a href="https://yalebnan.org/66354/" rel="noopener noreferrer">watch</a>?v=pJJInQra9Cg

استكشاف السلوك الخفي لمكثفات الكروماتين

تحتوي مكثفات الكروماتين على مئات الآلاف من الجزيئات سريعة الحركة. عندما تجتمع هذه الجزيئات معًا، فإنها تعرض خصائص ناشئة لا تمتلكها المكونات الفردية بمفردها. تحدد سلوكيات المجموعة هذه كيفية تشكل القطرات وتماسكها واحتفاظها بصفاتها الجسدية.

لفهم هذه الخصائص بالتفصيل ومعرفة كيفية ضغط الكروماتين داخل الخلايا، احتاج الباحثون إلى نظرة قريبة على الترتيب الداخلي للجسيمات النووية وألياف الكروماتين داخل القطرات.

فريق روزين، بالتعاون مع إليزابيث فيلا، الباحثة في معهد HHMI في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو؛ روزانا كوليباردو جيفارا في جامعة كامبريدج؛ وقد أنجز Zhiheng Yu في مجمع أبحاث Janelia التابع لـ HHMI هذا الأمر.

وباستخدام تقنيات التصوير المتقدمة في جانيليا، أنتج العلماء التصورات الأكثر تفصيلاً حتى الآن للتخطيط الجزيئي داخل مكثفات الكروماتين الاصطناعية. ثم تم تطبيق نفس الأساليب لفحص الكروماتين داخل الخلايا الفعلية.

التقط فريق من الباحثين بقيادة مايكل روزين، الباحث في معهد HHMI، الصور الأكثر تفصيلاً حتى الآن للجزيئات الموجودة في مكثفات الكروماتين الاصطناعية – وهي هياكل تشبه القطرات من الحمض النووي المضغوط. تعرض هذه الأفلام صورًا لمكثفات الكروماتين التي تم الحصول عليها عن طريق التصوير المقطعي بالإلكترون المبرد، مما يكشف عن النيوكليوزومات الفردية التي تشكل القطرة، تليها إعادة بناء عالية الدقة للنيوكليوسومات في مكثفات الكروماتين. الائتمان: تشو وآخرون.

ما يكشفه التصوير عالي الدقة عن بنية المكثفات

ومن خلال الجمع بين هذه الصور والمحاكاة الحاسوبية والمجهر الضوئي، تمكن فريق البحث من تحليل كيفية ترتيب الجزيئات الفردية داخل القطرات وكيفية تفاعلها. وقد ساعدهم ذلك على البدء في فهم القواعد التي تحكم كيفية تشكل المكثفات وعملها.

وكان أحد النتائج الرئيسية هو أن طول الحمض النووي الرابط بين النيوكليوزومات يؤثر على التنظيم العام للهياكل. يحدد التباعد كيفية تفاعل ألياف الكروماتين وتشكيل الشبكة الأكبر داخل المكثفات.

أوضحت هذه السمات الهيكلية سبب خضوع بعض أنواع الكروماتين لفصل الطور بسهولة أكبر من غيرها، ولماذا تظهر المكثفات المصنوعة من أشكال مختلفة من الكروماتين خصائص مادية مميزة. واكتشف الفريق أيضًا أن المكثفات الاصطناعية المنتجة في المختبر تشبه إلى حد كبير الكروماتين المعبأ بإحكام الموجود داخل الخلايا الحية.

يقول روزن: “لقد سمح لنا هذا العمل بربط هياكل الجزيئات الفردية بالخصائص العيانية لمكثفاتها، للمرة الأولى حقًا”. “أنا متأكد من أننا لا نزال على قمة جبل الجليد فقط – وأننا وآخرون سوف نتوصل إلى طرق أفضل لتطوير تلك العلاقات بين الهيكل والوظيفة على المستوى المتوسط”.

إطار لفهم التكثيف الجزيئي الحيوي

يمتد هذا البحث إلى ما هو أبعد من الكروماتين. توفر الأفكار الجديدة نموذجًا لدراسة مجموعة واسعة من المكثفات الجزيئية الحيوية، والتي تلعب أدوارًا رئيسية عبر الخلية في عمليات مثل تنظيم الجينات والاستجابة للضغط.

إن تعلم كيفية تجميع هذه الهياكل الشبيهة بالقطرات وعملها قد يوضح أيضًا ما يحدث عندما ينهار التكثيف. ويعتقد أن مثل هذه الإخفاقات تساهم في عدة حالات صحية، بما في ذلك الأمراض التنكسية العصبية والسرطان.

يقول هوابين تشو، عالم ما بعد الدكتوراه في مختبر روزن والمؤلف الرئيسي للبحث الجديد: “من خلال إجراء هذا البحث، سنفهم بشكل أفضل كيف يمكن أن يؤدي التكثيف غير الطبيعي إلى أمراض مختلفة، وربما يساعدنا ذلك في تطوير جيل جديد من العلاجات”.

المرجع: “الهيكل متعدد النطاق لمكثفات الكروماتين يوضح فصل الطور وخصائص المواد” 4 ديسمبر 2025، علوم.
دوى: 10.1126/science.adv6588

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.