الباحثون يكشفون عن مخطط رباعي الأبعاد للجينوم البشري

ويمثل البحث خطوة كبيرة إلى الأمام في الكشف عن كيفية ظهور الشكل ثلاثي الأبعاد الحمض النووي يشكل الطريقة التي تعمل بها البيولوجيا البشرية.

في خطوة كبيرة نحو فهم كيفية تشكيل الشكل المادي للحمض النووي للبيولوجيا البشرية، توصل الباحثون إلى جامعة نورث وسترن العمل مع مشروع النيوكليوم رباعي الأبعاد لقد أنشأوا الخرائط الأكثر شمولاً حتى الآن لتنظيم الجينوم ثلاثي الأبعاد عبر الزمان والمكان. تم وصف العمل في دراسة جديدة نشرت في طبيعة.

يقدم هذا البحث، الذي يعتمد على تجارب على الخلايا الجذعية الجنينية البشرية والخلايا الليفية، صورة موسعة لكيفية تفاعل الجينات مع بعضها البعض، وانطوائها إلى هياكل معقدة، وتغيير مواقعها بينما تقوم الخلايا بوظائفها الطبيعية وتنقسم. شارك في قيادة الدراسة فنغ يو، أستاذ دوان وسوزان بورنهام للطب الجزيئي في قسم الكيمياء الحيوية وعلم الوراثة الجزيئية.

قال يوي، وهو أيضًا مدير مركز التحليل الجزيئي المتقدم والمدير المؤسس لمركز جينوميات السرطان في مركز روبرت لوري الشامل للسرطان بجامعة نورث وسترن: “إن فهم كيفية طي الجينوم وإعادة تنظيمه في ثلاثة أبعاد أمر ضروري لفهم كيفية عمل الخلايا”. “تمنحنا هذه الخرائط رؤية غير مسبوقة لكيفية مساعدة بنية الجينوم في تنظيم نشاط الجينات في المكان والزمان.”

داخل نواة الخلية، لا يبقى الحمض النووي ممتدًا في شكل خطي بسيط. وبدلا من ذلك، فإنه يطوي في حلقات ومناطق متميزة تجعل الأجزاء البعيدة من الجينوم على اتصال وثيق. تساعد هذه الترتيبات الفيزيائية في التحكم في الجينات النشطة أو الصامتة، وتشكيل عمليات مثل التطور وهوية الخلية والمرض.

بناء مجموعة بيانات جينومية موحدة رباعية الأبعاد

ولدراسة هذا التعقيد، استخدم يوي ومعاونوه الدوليون مجموعة واسعة من التقنيات الجينومية على الخلايا الليفية والخلايا الجذعية الجنينية البشرية لإنتاج مجموعة بيانات موحدة.

وقد حدد هذا الجهد:

• أكثر من 140.000 حلقة كروماتين لكل نوع خلية، تحدد العناصر الأساسية في الأنواع المختلفة من مثبتات الحلقة وكيف تساهم في تنظيم الجينات.
• تصنيفات شاملة لمجالات الكروموسومات، بما في ذلك مكان تواجدها داخل النواة.
• نماذج ثلاثية الأبعاد عالية الدقة للجينومات بأكملها على مستوى الخلية الواحدة، توضح كيفية وضع كل جين بالنسبة لجيرانه والعناصر التنظيمية.

تكشف هذه الخرائط كيف تختلف بنية الجينوم من خلية إلى أخرى وكيف ترتبط هذه الاختلافات بالعمليات الأساسية، بما في ذلك النسخ وتكرار الحمض النووي.

تقييم التقنيات والتنبؤ بطي الجينوم

نظرًا لأنه لا توجد تقنية واحدة يمكنها التقاط بنية الجينوم رباعية الأبعاد بشكل كامل، فقد قامت الدراسة أيضًا بتقييم قدرات وقيود الطرق المستخدمة. ومن خلال قياس الأداء الشامل، حدد الباحثون الاختبارات الأكثر ملاءمةً للكشف عن الحلقات، أو حدود النطاق، أو الاختلافات الدقيقة في تحديد المواقع النووية – مما يوفر خارطة طريق للعلماء الذين يسعون إلى متابعة أسئلة مماثلة في المستقبل.

بالإضافة إلى ذلك، من خلال تطوير أدوات حسابية قادرة على التنبؤ بكيفية طي الجينوم من تسلسله فقط، مهد مؤلفو الدراسة الطريق أمام علماء المستقبل لتقدير كيف يمكن للمتغيرات الجينية – بما في ذلك تلك المرتبطة بالمرض – أن تغير بنية الجينوم ثلاثي الأبعاد، كل ذلك دون الحاجة إلى إجراء تجارب معقدة.

وقال يو إن هذا التقدم يمكن أن يسرع اكتشاف الطفرات المسببة للأمراض ويكشف عن الآليات المخفية سابقًا وراء الاضطرابات الموروثة.

وقال يو: “بما أن غالبية المتغيرات المرتبطة بالأمراض البشرية تقع في المناطق غير المشفرة في الجينوم، فمن الأهمية بمكان أن نفهم كيف تؤثر هذه المتغيرات على التعبير الجيني الأساسي وتساهم في المرض”. وقال يو: “إن تنظيم الجينوم ثلاثي الأبعاد يوفر إطارًا قويًا للتنبؤ بالجينات التي من المحتمل أن تتأثر بهذه المتغيرات المسببة للأمراض”.

نحو رؤية أكثر اكتمالا للجينوم

ويؤكد هذا العمل على الاعتراف المتزايد بأن وظيفة الجينوم لا يمكن فهمها فقط من خلال قراءة تسلسله، وأن شكله مهم أيضًا. من خلال الكشف عن الروابط بين طي الحمض النووي، وحلقات الكروماتين، ونشاط الجينات، وسلوك الخلية، فإن الدراسة تقرب المجال من رؤية شاملة لكيفية عمل التعليمات الجينية داخل الخلايا الحية.

للمضي قدمًا، قال يوي إنه يأمل أن تساعد هذه الأدوات في نهاية المطاف في فك تشفير كيفية مساهمة اختلال الجينوم في الإصابة بالسرطان، واضطرابات النمو، وغيرها من الحالات، مما يفتح الباب أمام التشخيص والعلاجات القائمة على الجينوم الهيكلي.

وقال يو: “بعد ملاحظة تغيرات الجينوم ثلاثية الأبعاد عبر أنواع السرطان، بما في ذلك سرطان الدم وأورام المخ، فإن هدفنا التالي هو استكشاف كيف يمكن استهداف هذه الهياكل بدقة وتعديلها باستخدام عقاقير مثل مثبطات اللاجينية”.

المرجع: “رؤية متكاملة لبنية ووظيفة النواة رباعية الأبعاد البشرية” بقلم Job Dekker، Betul Akgol Oksuz، Yang Zhang، Ye Wang، Miriam K. Minsk، Shuzhen Kuang، Liyan Yang، Johan H. Gibcus، Nils Krietenstein، Oliver J. Rando، Jie Xu، Derek H. Janssens، ستيفن هينيكوف، ألكسندر كوكاليف، ويليمين أندريا، وارن وينيك-نغ، ريكي كيمبفر، آنا بومبو، مياو يو، براديب كومار، ليغو تشانغ، أندرو س. بلمونت، تاكايو ساساكي، توم فان شيك، لورا بروكنر، دان بيريك-هوبكس، باس فان ستينسل، بينج وانغ، هاوكسي تشاي، مينجي كيم، يجون روان، ران تشانغ، صوفيا أ. كينودوز، براشانت بهات، ميتشل جوتمان، وينكسين تشاو، شو شين، يوان ليو، سيرجي في. فينيف، داريوش بليوزينسكي، إيباي إيراستورزا أزكاراتي، دومينيك زابو، كريستوف جيه ثيم، تيريزا شتشيبينسكا، ماتيوس تشيلينسكي، كاوستاف سينجوبتا، ماتيا كونتي، أندريا إسبوزيتو، أليكس أبراهام، روتشي تشانغ، يوتشوان وانغ، جي. شرودر، راهي نافيلكار، كلارا باكر، ويليام رونشيتي، شانون إيهمسن، ألكسندر د.

فيت، نيلز جيلينبورج، تينغ وانغ، داوفنغ لي، شياوتاو وانغ، ماريو نيكوديمي، بينج رين، شينغ تشونغ، جينيفر إي. فيليبس كريمينز، ديفيد إم جيلبرت، كاثرين س. بولارد، فرانك ألبر، جيان ما، ويليام س. نوبل، وفنغ يو، 17 ديسمبر/كانون الأول 2025, طبيعة.دوى: 10.1038/s41586-025-09890-3

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