Oamenii de ştiinţă au descoperit că structura 3-D a cromozomilor din celulele canceroase are un rol important în copierea sau ştergerea de gene. Descoperirile lor arată mecanismele şi principiile fizice ce guvernează modificarea genomului în celulele tumorale.
Una dintre particularităţile celulelor tumorale este că anumite regiuni ale ADN-ului tind să se replice de multe ori, în timp ce alte regiuni sunt deletate (şterse). Adesea, aceste schimbări genetice ajută celulele să devină mai maligne – făcându-le să crească şi să se răspândească prin corp.
Acum, o echipă de cercetători de la MIT şi Universitatea Harvard a demonstrat că structura tridimensională a materialului genetic, sau a genomului, are un rol important în determinarea căror secţiuni ale ADN-ului din celulele canceroase este cel mai probabil să fie modificate.
Cercetătorii, conduşi de Leonid Mirny, profesor de fizică şi de ştiinţa şi tehnologia sănătăţii, au dezvoltat o tehnică pentru a putea compara arhitectura 3D a cromatinei cu aberaţiile cromozomiale întâlnite frecvent în cancer. În noul studiu, au demonstrat că oricare două puncte ce se suprapun în mod normal, sunt predispuse să formeze capătul unei bucle a ADN-ului, ce va fi tăiată sau duplicată.
„Se pare că aberaţiile cromozomiale în cancer, într-o mare măsură, sunt modelate de către structura cromozomului”, spune Mirny.
Descoperirile, descrise în numărul din noiembrie al „Nature Biotehnologie”, arată mecanismele şi principiile fizice ce guvernează modificarea genomului în celulele tumorale, şi ar putea ajuta la localizarea precisă a unor gene nedescoperite ce cauzează cancer sau suprimă tumori.
În partea de sus, un model de tip globulă fractală al organizării cromozomiale, cu un exemplu de buclă potenţial deletată reprezentată cu roşu. Imediat dedesubt, o hartă a contactelor cromozomiale de pe cromozomul 17 – pătratele mai întunecate indică faptul că există mai multe contacte între locaţiile mai apropiate una de alta. În partea de jos a imaginii, o hartă a SCNA-urilor cromozomului 17 (deletări cu roşu, amplificări cu albastru) de-a lungul mai multor mostre cancerigene. Pătratele mai întunecate indică un număr mai mare de alterări.
Credit imagine: Geoff Fudenberg şi Leonid Mirny
O nouă dimensiune
În 2009, o echipă de cercetători - din care făceau parte Mirny şi colegii săi de la MIT, Broad Institute, University of Massachusetts Medical School (UMMS) şi Harvard – au raportat prima vizionare tridimensională a genomului uman. Folosind o tehnică experimentală, numită Hi-C, dezvoltată în laboratoarele de la Broad Institute de către Eric Lander şi Andreas Gnirke şi în cele de la UMMS de către Job Dekker, cât şi simulările realizate în laboratoarele lui Mirny, ei au descoperit că genomul este organizat într-o structură cunoscută ca „globulă fractală”. Acest tip de aranjament face celula capabilă să împacheteze incredibil de strâns ADN-ul, evitând în acelaşi timp nodurile sau încurcăturile ce ar putea interfera cu abilitatea celulei de a-şi citi propriul ADN.
Mirny şi colegii săi nu s-au gândit să folosească tehnologia HI-C pentru a studia modificările genomului în cancer până când nu au avut o conversaţie întâmplătoare cu cercetători de la Broad Institute. Aceşti cercetători, printre care Gad Getz, director al Centrului de Analiză Computaţională a Genomului în Cancer de la Broad, şi Matthew Meyerson, membru asociat la Broad şi profesor de patologie la Havard Medical School, studiau anomaliile genetice – comune în celulele canceroase – cunoscute ca modificări cu un singur număr de copii (SCNA-uri - single copy number alterations).
SCNA-urile pot fi: ştergerea unei regiuni mari din ADN sau duplicarea unei regiuni – asta înseamnă că ar putea avea un rol în cancer, fiind în avantajul unei celule canceroase să aibă cât mai multe copii ale oncogenelor (gene care produc cancer), sau să şteargă regiuni ce conţin gene pentru suprimarea tumorilor.
Getz şi colegii săi de la Broad au arătat că probabilitatea ca o anumită porţiune a ADN-ului să fie duplicată sau excizată este invers proporţională cu lungimea sa. Când Mirny s-a uitat peste descoperirile lor, a observat o asemănare izbitoare cu datele Hi-C: probabilitatea ca două puncte de pe un cromozom să fie în apropiere este invers proporţională cu lungimea ADN-ului dintre ele.
Miry şi Getz au decis să testeze ipoteza conform căreia structura tridimensională a cromozomului influenţează probabilitatea ca o anumită porţiune de ADN să fie copiată sau ştearsă. Pentru a-şi testa ipoteza, ei au comparat structura cromatinei determinată de modelul globulei fractale, cu localizarea celor mai comune SCNA-uri găsite în 3000 de celule care prezintă 26 de tipuri diferite de cancer.
Ceea ce au descoperit le-a confirmat această idee. „Ceea ce am văzut în modelele matematice este că probabilitatea ca două puncte să devină alăturate într-o structură 3-D este foarte apropiată de probabilitatea ca o buclă de acea lungime să fie amplificată sau deletată”, spunea Mirny.
„Asta oferă chiar mai multe dovezi teoriei că asocierea fizică a unor regiuni dispersate din genomul celulelor este sursa de erori ce se pot ivi”, spune Levi Garraway, profesor asistent de medicină la Harvard Medical School şi membru al Institutului Broad şi al Institutului de cancer Dana-Farber, care nu a fost implicat în cercetări.
Repararea ADN-ului a mers prost
Această muncă poate, de asemenea, sugera un mecanism posibil în care pot apărea SCNA-uri : când două puncte se află în contact unul cu altul, există o şansă ca aceste puncte să fie alăturate din greşeală, în timpul procesului de reparare a ADN-ului.
„Când ADN-ul suferă o mutaţie, enzime speciale se adună pentru a-l repara. Dacă două puncte alăturate sunt reparate în acelaşi timp, enzimele pot accidental să le ataşeze unul de altul, creând o buclă ce va fi tăiată din genom”, spune Geoff Fudenberg, un student absolvent de la Harvard şi autor principal al lucrării.
Asta explică cum pot apărea exciziile, dar cercetătorii cred că mecanismul de creare al duplicatelor este mai complicat.
În acest studiu, cercetătorii au investigat, de asemenea, şi probabilitatea ca aceste modificări să se răspândească printr-o populaţie de celule tumorale. Este deja cunoscut faptul că modificările bune pentru celulele canceroase au rolul de a se răspândi prin populaţie, în timp ce cele dăunătoare vor fi eliminate. Mai există şi o a treia clasă de mutaţii, ce produc leziuni moderate, numite „mutaţii pasagere”. În studiu, cercetătorii au găsit dovezi că aceste mutaţii pot fi eliminate în timp. Concret, cu cât este mai lungă modificarea, cu atât este mai probabil să fie eliminate.
În studii viitoare, echipa plănuieşte să analizeze modele de genom 3-D ale diferitelor tipuri de cancer pentru a vedea dacă modificările ce pot avea loc în cancerul de ficat,de exemplu, diferă de cele din cancerul de plămâni.
„Cu cât afli mai multe despre mecanismul mutaţiilor, şi cu cât înţelegi mai multe despre domeniul posibilelor mutaţii din cancer, cu atât mai bine vei lucra să găseşti gene care chiar ajută cancerul, şi vei putea să le distrugi” declară Fudenberg.
Mirny şi Fudenberg sunt membri ai Centrului de Ştiinţe Fizice în Oncologie de la MIT, fondat de Institutul Naţional pentru Cancer.
Articolul reprezintă traducerea articolului Seeing cancer in three dimensions, publicat pe site-ul web.mit.edu.
Traducere: Irina Duceac
