Biotechnologia.pl: Proszę nam opowiedzieć, skąd u Pani doktor taka fascynacja tematyką architektury jądra komórkowego.

Dr Izabela Szczerbal: Wszystko zaczęło się od mojego stażu podoktorskiego w Brunel Univeristy, w Londynie. Mając bogate doświadczenie z zakresu cytogenetyki molekularnej włączyłam się w nowy kierunek badawczy, związany z funkcjonalnym znaczeniem organizacji chromatyny w jądrze komórkowym. Badania prowadziłam w zespole Dr Joanny Bridger, autorki jednych z pierwszych prac na ten temat. Zajmowałam się zmianami położenia terytoriów chromosomowych i genów w komórkach podlegającymi różnicowaniu oraz badałam jaki wpływ zmiany architektury mają na poziom ekspresji genów.

Wynika z tego, że jadro komórkowe ma bardzo uporządkowaną organizację wewnętrzną. Czy rządzą tym układem jakieś prawa, zależności?

Oczywiście, że tak. Jest kilka teorii traktujących o ułożeniu chromosomów w jądrze. Teoria radialna mówi, że chromosomy mogą być położone w jadrze centralnie bądź peryferyjnie. Rozkład ten może być zależny od wielkości chromosomów. Terytoria dużych chromosomów położone są na peryferiach jądra, a  małe  w jego centrum. Potwierdził to w swych badaniach m.in. zespół kierowany przez prof. Thomasa Cremera. Stosując zróżnicowane barwienie chromosomów dużych i małych, dowiódł, że zarówno w komórkach fibroblastów (gdzie jądro ma elipsoidalny kształt), jak i w limfocytach (których jądra mają kształt kulisty) zawsze duże chromosomy rozmieszczone są na obrzeżach, natomiast małe są w centrum, niezależnie od kształtu jądra. Teoria radialna przewiduje również, że rozmieszczenie może też zależeć od tego, czy dany chromosom jest bogaty czy ubogi w geny. Chromosomy szczególnie zasobne w geny koncentrują się w środkowej części jądra, która jest uważana za najbardziej aktywną transkrypcyjnie. Natomiast chromosomy ubogie w geny lub zawierające sekwencje powtarzalne zwykle mieszczą się na peryferiach. Przykładowo, chromosomy 18 i 19 człowieka są prawie identyczne pod względem wielkości, jednak 19 zawiera więcej genów i jest położony w centrum, a chromosom 18 ma ich znacznie mniej i jego terytorium występuje  na peryferiach jądra. Istnieją również inne teorie dotyczące organizacji jądra interfazowego. Jedna z nich zakłada, że  terytoria chromosomowe lokują się preferencyjnie  względem siebie, bądź też względem wybranych struktur jądra (np.: jąderka).

Czy zatem rozmieszczenie terytoriów chromosomów w każdej komórce jest stałe i nie zmienia się w czasie jej rozwoju?

  To nie jest tak jednoznaczne. Ułożenie chromosomów może się zmieniać wraz ze zmianą statusu czy aktywności danej komórki. Inne będzie w komórkach starzejących się, a inne w proliferujących. Lokalizacja chromosomów może też zależeć od typu komórki. Jeśli na chwilę pominiemy kwestie położenia terytoriów chromosomowych i spojrzymy na organizacje chromatyny, to podstawowy model architektury jądra zakłada położenie euchromatyny (zawierającej sekwencje genowe) w centrum jądra, a heterochromatny (bogatej w  sekwencje powtarzalne) na jej peryferiach i powiązana jest z laminą jądrową. Jest jednak wiele typów komórek, w których ten układ  jest inny. Dobrym przykładem są pręciki siatkówki u zwierząt aktywnych w nocy. U nich podstawowy model architektury jądra jest odwrócony. Sekwencje heterochromatynowe położone są w centrum, natomiast euchromatynowe na peryferiach jądra. Taki sposób organizacji chromatyny pozwala na lepsze wychwytywanie światła w warunkach jego niskiej intensywności. Zmiany w rozmieszczeniu chromatyny i terytoriów chromosomowych są też doskonale widoczne w procesach różnicowania komórek. Przykładowo, podczas spermatogenezy dochodzi do przemieszczenia chromosomów płci z okolic peryferyjnych do centrum jądra. Badacze podejrzewają, że taka organizacja może mieć znaczenie w procesie zapłodnienia. Zmiana położenia terytoriów chromosomowych następuje też podczas inaktywacji chromosomu X w zarodkach żeńskich ssaków. W procesie tym znaczną rolę odgrywa wzajemny kontakt dwóch chromosomów X. Zwiększenie ich ruchliwości opisano w literaturze jako tzw. „tango chromosomów”. Na początku są one w pewnym oddaleniu od siebie, potem dochodzi do ich kontaktu, a następnie znowu do oddalenia. W momencie, gdy są ze sobą związane rozpoczyna się proces ekspresji genów, od których zależy inaktywacja jednego z nich. Chromosom X, który ma ulec heterochromatynizacji (inaktywacji) zwiększa ekspresję genu Xist odpowiedzialnego za ten proces. Jego produktem jest niekodująca cząsteczka RNA, która pokrywa chromosom X i jest epigenetycznym znacznikiem inaktywacji, co pociąga za sobą kolejne etapy tego procesu.

A jak wpływa architektura jądra na ekspresję genów?

 Niezależnie od pozycji terytoriów chromosomowych geny w nich umiejscowione mogą zmieniać swoje położenie w związku z ich ekspresją.  Można powiedzieć, że kontakt genów z laminą jądrową wiąże się z reguły z wyciszeniem ekspresji, a położenie w centrum z aktywnością transkrypcyjną. Czasem może też dojść do tzw. „wypętlenia” danego genu z terytorium chromosomowego i wtedy staje się bardziej aktywny. Co ciekawe w literaturze opisano też zjawisko zwane „gene kissing”, które mówi że ekspresja niektórych genów położonych w różnych chromosomach może zajść dopiero wtedy, gdy  nastąpi ich fizyczny kontakt. Innym przykładem, gdzie architektura jądra odgrywa rolę w regulacji ekspresji są geny kodujące receptory węchowe. Zidentyfikowano ponad 1000 takich genów u ssaków, ale w danym neuronie transkrybowany jest tylko jeden z nich. Dlatego musi dochodzić do wyciszenia całej reszty genów receptorów węchowych. Okazało się, że w jądrach neuronów powstają heterochromatynowe foci, które uniemożliwiają ekspresję genów. Tylko jeden gen aktywny w danym neuronie zostaje transkrybowany na zewnątrz takich skupisk heterochromatynowych.

A jakie konkretnie badania z dziedziny chromosomiki jądra prowadzone są na Uniwersytecie Przyrodniczym w Poznaniu?

Zajmuję się adipogenezą, czyli procesem powstawania komórek tłuszczowych. Poznanie molekularnych podstaw tego procesu jest bardzo ważne. W przypadku świni np.: determinuje cechy istotne z punktu widzenia gospodarczego – jakość mięsa, a w przypadku człowieka umożliwia badania nad otyłością. Badania zapoczątkowane podczas stażu podoktorskiego w Londynie rozwijam w Katedrze Genetyki i Podstaw Hodowli Zwierząt. Moim podstawowym modelem badawczym są komórki mezynchemalne izolowane ze szpiku kostnego, które w warunkach in vitro różnicują się w adipocyty. Podczas dotychczas prowadzonych badań poddawałam analizie geny, które mają różne znaczenie dla procesu adipogenezy. W większości są to czynniki transkrypcyjne, które promują bądź hamują ten proces. Okazało się, że terytoria chromosomowe przez cały okres różnicowania komórek tłuszczowych (od komórek mezenchymalnych do dojrzałych adipocytów) mają względnie stałą pozycje. Natomiast w przypadku poszczególnych genów obserwowano zmiany pozycji. Dzięki zastosowaniu techniki trójwymiarowej (3D) techniki FISH i trójwymiarowemu modelowaniu możliwe było zaobserwowanie zmian w konformacji chromatyny poszczególnych terytoriów chromosomowych. W komórkach mezenchymalnych chromatyna była silnie zbita i skondensowana, a w komórkach zróżnicowanych była rozluźniona. Z kolei badane geny ulegały „wypętleniu” do centrum jądra interfazowego, gdzie następowała ich wzmożona transkrypcja. W taki sposób dochodziło np.: do transkrypcji genu PPARG, który jest głównym czynnikiem regulującym proces adipogenezy. Poziom transkrypcji zależy zatem od zmian położenia genów. Zastanawialiśmy się dlaczego te geny tak wędrują, co jest z tym związane. Zaczęliśmy badać struktury ziarniste jądra oraz tzw. fabryki transkrypcyjne (są te foci, gdzie jest szczególnie duże nagromadzenie polimerazy II RNA). Po przeprowadzonych eksperymentach okazało się, że w dojrzałych adipocytach następuje asocjacja badanych genów ze strukturami ziarnistymi jądra SC-35. Odgrywają one kluczową rolę w procesie transkrypcji poprzez  zaangażowane w obróbkę transkryptu.

W strukturze jądra może zachodzić tak wiele zmian. Czy niektóre z nich są wyznacznikiem pojawienia się pewnych nieprawidłowości lub stanów chorobowych?

W tej chwili dużo wiemy na temat organizacji chromatyny w jądrze, ale wielu naukowców próbuje zbadać, jakie ma ona znaczenie w procesach rozwoju niektórych chorób. Wiadomo, że są typy nowotworów spowodowane przez translokację wzajemną chromosomów. Badano dla tych chorób rozmieszczenie terytoriów chromosomowych i okazało się, że znacznie częściej dochodzi do translokacji między tymi chromosomami, które w jądrze interfazowym znajdują się obok siebie niż z położonymi w pewnym oddaleniu. Jedna z prac, która zainspirowała mnie do podjęcia prowadzonych przeze mnie badań architektury jądra dotyczyła nowotworu tłuszczakomięsaka. Wykazano, że mutacją swoistą w tym nowotworze jest translokacja wzajemna między chromosomem 12 i 16. Okazało się, że w preadipocytach (niedojrzałych komórkach tłuszczowych)  chromosomy te zajmują odrębne pozycje, natomiast w dojrzałych komórkach tłuszczowych położone są obok siebie. Taka sąsiednia kolokalizacja może doprowadzać w konsekwencji do translokacji wzajemnej między tymi dwoma chromosomami. Architekturą jądra zajmowano się również w kontekście nowotworu piersi. Grupa Dra Toma Mistellego poszukiwała odpowiedzi na pytanie, czy zmiana pozycji genów w jadrze interfazowym może być markerem procesu nowotworzenia. I rzeczywiście dla całego szeregu genów wykazano inne położenie w komórkach nowotworowych aniżeli w prawidłowych komórkach piersi. Odrębną grupą chorób, związaną stricte ze zmianami struktury jądra, są laminopatie. To choroby spowodowane mutacjami w genach kodujących białka laminy jądrowej. Do chorób tych należy m.in. progeria, w której głównym czynnikiem patogennym jest niefunkcjonalna lamina jądrowa powodująca, że jadro komórki zatraca swój kształt i zostają zburzone jego funkcje. Dzieje się tak, ponieważ lamina odgrywa kluczową rolę w regulacji ekspresji określonych genów. Opracowano nawet systemy eksperymentalne, które pozwalają przywiązać dany gen do laminy. Czyli potencjalnie, może to być w przyszłości mechanizm pozwalający regulować ekspresję genów.

Na koniec wróćmy jeszcze do metod stosowanych w badaniach architektury jądra. Konieczne jest przecież obrazowanie trójwymiarowe. Jakie sprzęty czy metody badań to umożliwiają?

Niezbędny jest w tym przypadku oczywiście mikroskop konfokalny, który pozwala na obserwacje trójwymiarowe. Stosujemy specjalne odmiany fluorescencyjnej hybrydyzacji in situ. Podstawowa technika to wielokolorowa 3D FISH, dzięki której możemy obrazować kilka genów czy terytoriów chromosomowych. Do tego typu badań wykorzystywane jest też wiele odmian metod tzw. 3C (od angielskiej nazwy Chromosome Conformation Capture), które pozwalają na globalną analizę interakcji różnych fragmentów genomu. Badanie przeprowadzane jest jednak na całej populacji komórek. W ostatnich latach pracuje się też nad wprowadzeniem nowych odmian hybrydyzacji, np.: takich które nie wymagają denaturacji materiału. Odczynniki używane do  tego procesu  mogą wpływać na zmiany konformacji chromatyny, zaburzenia obrazu. Dlatego te nowe metody dążą do ograniczenia wszelkich elementów, które mogą mieć wpływ na wynik. Uwaga naukowców jest również skierowana na dopracowanie metod pozwalających na wizualizacje danego locus genowego w żywych komórkach (badania in vivo).

Bardzo dziękuję za rozmowę i życzę sukcesów w dalszych badaniach.

Wywiad przeprowadziła dr Marzena Szwed, redaktor naukowy portalu Biotechnologia.pl

Materiał opracowała: mgr Ewelina Gizińska