כרומוזומים בתלת-ממד

נהוג להציג את הכרומוזומים – אותן 46 חבילות ארוזות היטב של חומר גנטי המצויות בכל תאי גופנו – כדמויי האות X , אולם למעשה אותם "איקסים" מסודרים מופיעים אך ורק בשלב שבו התא עומד להתחלק, לאחר שכל החומר הגנטי שלו עבר הכפלה. עד עתה, למדענים לא הייתה תמונה ברורה של האופן שבו מולקולת הדי-אן-אי שלנו – סליל כפול שאורכו כשני מטרים – מאורגנת במסודר בתוך הגרעין, במבנה המאפשר פעילות שוטפת של הגנים בתוכו. שילוב של שתי שיטות חדשות לריצוף די-אן-אי בכרומוזומים בודדים, וניתוח נתונים שהתקבלו מאלפי מדידות, חושפים כעת תמונה לא מוכרת של המבנה התלת-ממדי של הכרומוזומים. השיטה החדשה, פרי עבודה משותפת של מדעני מכון ויצמן למדע ומדענים מאנגליה, שהתפרסמה באחרונה בכתב-העת Nature, תסייע למדענים להבין את התהליכים הבסיסיים השולטים בהתבטאותם של גנים ובשמירה על יציבות הגנום.

פרופ' עמוס תנאי מהמחלקה למדעי המחשב ומתמטיקה שימושית ומהמחלקה לבקרה ביולוגית במכון ויצמן למדע פיתח אלגוריתם מתקדם לניתוח מערכי נתונים גנומיים, המסוגל לסרוק מיליארדי ביטים של מידע. ביחד עם חברי הצוות שלו, שכלל את תלמידי המחקר יניב לובלינג ואיתן יפה, ובשיתוף עם ד"ר פיטר פרייזר ממכון בברהם באנגליה, הצליח פרופ' תנאי לפענח את המבנה הארכיטקטוני של הכרומוזום ברזולוציה חסרת תקדים. במקום להשתמש בשיטות מיקרוסקופיות מסורתיות, כמקובל, גייסו המדענים את היתרונות של שיטות מודרניות ורבות עוצמה לריצוף די-אן-אי.

את הבסיס לשיטה החדשה הניחו ד"ר פרייזר וחברי צוותו, שפיתחו שיטות מתוחכמות לריצוף די-אן-אי המשתמשות באלפי מדידות של נקודות המגע בין גנים המצויים בכרומוזום יחיד. שיטות אלה מהוות שיפור ניכר לעומת הגישות שקדמו להן, המבוססות על ממוצע מבני של מיליוני כרומוזומים. עם זאת, על אף שהיא מנתחת כמות זעומה של די-אן-אי (מספר טריליוניות הגרם), שמקורו בתא יחיד, שיטתו של ד"ר פרייזר מייצרת כמויות עצומות של מידע, ומשתמשת בשיטות סטטיסטיות מתקדמות לצורך ניתוחו. פרופ' תנאי וחברי הצוות שלו ביצעו את הניתוח הממוחשב המורכב, באמצעותו הפכו מיליוני רצפי די-אן-אי למפות אמינות המתארות את הקשרים בין גנים לאורך הכרומוזום. באמצעות מפות אלה, הצוות, בשיתוף עם ד"ר ארנסט לאו מאוניברסיטת קיימברידג', הצליח לייצר מודלים תלת-ממדיים המתארים את המבנה של כרומוזומים בודדים.

פיענוח המבנה הארכיטקטוני של הכרומוזומים ברמת רזולוציה גבוהה מצביע על עובדה מעניינת: המבנה של מולקולת די-אן-אי אחת עשוי להשתנות מתא לתא. בה בעת, התוצאות מספקות מספר עקרונות כלליים הקובעים את אופן ההתארגנות של הגנים בכרומוזום: הארגון הוא מודולרי, ומתבסס על תפקודם של הגנים המצויים בכרומוזום. לדוגמה, הנתונים מעידים כי הכרומוזום חושף את הגנים אותם יש להפעיל באמצעות דחיקתם לקצוות, וכך מאפשר לאותם גנים לבוא במגע עם המכונות התאיות המבקרות את התבטאותם.

השיטה החדשה לא רק מעניקה מבט ייחודי ומפתיע על מבנה הכרומוזומים בתאינו, אלא מספקת לגנטיקאים כלי מחקרי רב-עוצמה. לדוגמה, היא עשויה לסייע בחשיפת השונות בפעילות גנטית בין סוגים שונים של תאים, וכן לתרום להבנת המנגנונים הקובעים מדוע גנים מסוימים פעילים ואחרים אינם פעילים במצבי בריאות או מחלה. השיפור המהיר בטכנולוגיות לריצוף כמויות עצומות של חומר גנטי מבטיח כי מחקרים מסוג זה יצברו תאוצה בעתיד הקרוב.

Video produced by BBSRC

לפרטים נוספים אפשר לפנות למשרד דובר מכון ויצמן למדע: 08-9343856