Naukowcy z międzynarodowego zespołu badawczego, kierowanego przez Helmholtz Munich, po raz pierwszy uzyskali niezwykle szczegółowy wgląd w to, jak organizacja genetycznego materiału w jądrze komórkowym kształtuje się w pierwszych godzinach po zapłodnieniu. Ku zaskoczeniu badaczy, wczesne zarodki wykazują zadziwiająco wysoką elastyczność w reagowaniu na zakłócenia w tym procesie. Wyniki opublikowane na łamach prestiżowego czasopisma Cell obalają dotychczasowe przekonanie o istnieniu jednego głównego regulatora odpowiedzialnego za organizację jądrową. Zamiast tego okazuje się, że wiele równoległych i wzajemnie wspierających się mechanizmów kontroluje to, jak materiał genetyczny zostaje uporządkowany – zapewniając stabilność całego procesu i dając zarodkowi możliwość korygowania ewentualnych błędów.
Gdy komórka jajowa zostaje zapłodniona przez plemnik, rozpoczyna się głęboka reorganizacja DNA i jego architektury w jądrze. Proces ten jest ściśle powiązany z epigenetyką – dziedziną badającą chemiczne modyfikacje DNA oraz białek, z którymi DNA współpracuje. Te zmiany nie wpływają bezpośrednio na sekwencję genów, lecz decydują o aktywności poszczególnych obszarów genomu. Jak podkreśla prof. Maria-Elena Torres-Padilla, dyrektorka Instytutu Epigenetyki i Komórek Macierzystych w Helmholtz Munich, dotychczas nie było jasne, czy za uporządkowanie jądra komórkowego po zapłodnieniu odpowiada jedna, nadrzędna droga sygnalizacyjna. Tymczasem nowe dane wskazują, że wiele redundantnych dróg epigenetycznych działa równocześnie, wzmacniając swoje oddziaływania i dbając o to, by rozwijający się zarodek realizował poprawnie złożony program rozwojowy.
Aby przeanalizować, jak dokładnie dochodzi do kształtowania się organizacji jądrowej we wczesnych fazach życia, badacze przeprowadzili badania przesiewowe na embrionach myszy. Wykorzystali do tego zaawansowane techniki biologii molekularnej pozwalające śledzić zmiany epigenetyczne niemal na poziomie pojedynczej komórki. Zaskakującym wynikiem okazało się odkrycie, że tradycyjna koncepcja mówiąca o ścisłym związku pomiędzy lokalizacją genu w jądrze a jego aktywnością, nie zawsze się sprawdza. Niektóre geny pozostawały aktywne mimo przesunięcia do obszarów uznawanych wcześniej za „zgaszone” – czyli wyciszone pod względem transkrypcji. Innym razem takie przesunięcia prowadziły do zauważalnego spadku ekspresji. Oznacza to, że pozycja genu w jądrze nie zawsze decyduje o jego funkcji, co rzuca nowe światło na nasze rozumienie organizacji i funkcji genomu w kontekście rozwoju.
Najbardziej zdumiewający wniosek płynący z tej pracy mówi jednak o zdolności zarodków do samonaprawy błędów w organizacji jądra komórkowego. Nawet jeśli podczas pierwszego podziału komórki dojdzie do zaburzeń, organizacja jądra potrafi się odtworzyć w kolejnych cyklach. Wynika z tego, że wczesne zarodki nie tylko posiadają mechanizmy zabezpieczające przed pomyłkami, ale także potrafią wrócić na „właściwy tor”, nawet jeśli start był trudny. Co więcej, za te umiejętności odpowiadają sygnały epigenetyczne przekazywane z komórki jajowej – czyli tzw. piętno matczyne. Jeśli jednak takie sygnały zostaną uszkodzone, zarodek może uruchomić alternatywne programy epigenetyczne, które nie pochodzą od matki, by przywrócić poprawną strukturę wewnętrzną własnego materiału genetycznego. Oznacza to, że rozwój biologiczny może zaczynać się z różnych „punktów startowych”, a mimo to prowadzić do tego samego celu: zdrowego organizmu.
Odkrycia mają szersze znaczenie także w kontekście zdrowia człowieka i chorób związanych z wiekiem. W przypadku progerii – genetycznej choroby powodującej przedwczesne starzenie – dochodzi do wykrywalnych zaburzeń w strukturze DNA przy błonie jądrowej. Podobne zmiany występują również w niektórych typach nowotworów, gdzie organizacja genomu jest poważnie zakłócona. Lepsze poznanie wielotorowych i elastycznych mechanizmów epigenetycznych odpowiadających za organizację jądra komórkowego może w przyszłości umożliwić projektowanie terapii, które będą w stanie przywrócić prawidłowe funkcjonowanie komórek poprzez ukierunkowane modyfikacje epigenetyczne. Jak zaznacza prof. Torres-Padilla, to dopiero początek drogi do pełnego zrozumienia tego złożonego zagadnienia, ale już teraz pojawiają się perspektywy na bardziej skuteczne strategie leczenia i przeciwdziałania chorobom związanym z nieprawidłowym rozwojem komórkowym.
