ดีเอ็นเอบิดเบี้ยวและกลายเป็นส่วนที่มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกำหนดว่าเซลล์ทำอะไรและเมื่อไหร่
หากคุณสามารถคลี่คลาย DNA ทั้งหมดในเซลล์มนุษย์เพียงเซลล์เดียวและยืดออกได้ คุณจะมีริบบิ้นโมเลกุลยาวประมาณ 2 เมตรและกว้าง 2 นาโนเมตร ทีนี้ลองนึกภาพการบรรจุกลับเข้าไปในนิวเคลียสของเซลล์ ซึ่งเป็นภาชนะที่มีความกว้างเพียง 5 ถึง 10 ไมโครเมตร นั่นก็เหมือนกับการนำสายโทรศัพท์ที่วิ่งจากแมนฮัตตันไปซานฟรานซิสโกมายัดเข้าไปในบ้านชานเมืองสองชั้น
การติดตั้งสารพันธุกรรมทั้งหมดลงในพื้นที่คับแคบเป็นขั้นตอนที่หนึ่ง สิ่งที่สำคัญไม่แพ้กันก็คือวิธีการจัดระเบียบวัสดุ แค็ตตาล็อก DNA ทั้งหมดของเซลล์ – จีโนม – ต้องได้รับการกำหนดค่าในรูปทรงสามมิติเฉพาะเพื่อให้ทำงานได้อย่างถูกต้อง การจัดโครงสร้างสามมิติของวัสดุนิวเคลียร์ ซึ่งเรียกว่านิวคลีโอม ช่วยควบคุมวิธีและเวลาที่ยีนถูกกระตุ้น กำหนดเอกลักษณ์ของเซลล์และงานในร่างกาย
นักวิจัยได้ตระหนักถึงความสำคัญของโครงสร้างการจัดเรียงที่แม่นยำของ DNA มานานแล้ว แต่เมื่อเร็ว ๆ นี้เองที่มีเทคโนโลยีใหม่ทำให้สามารถสำรวจสถาปัตยกรรมนี้ได้อย่างลึกซึ้ง ด้วยการจำลอง การวัดทางอ้อม และการสร้างภาพที่ดีขึ้น นักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะเปิดเผยเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีที่รอยพับที่ซับซ้อนของนิวคลีโอมควบคุมเซลล์ที่แข็งแรง มุมมองที่ดีขึ้นจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจถึงบทบาทของนิวคลีโอมที่หยุดชะงักในการชราภาพและโรคต่างๆ เช่น progeria และมะเร็ง
นักพันธุศาสตร์ระดับโมเลกุล Bing Ren จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย คณะแพทยศาสตร์ซานดิเอโก กล่าวว่า “เป็นไปได้ว่าทุกกระบวนการนิวเคลียร์มีองค์ประกอบของโครงสร้าง “อันที่จริงแล้วน่าแปลกใจที่เราศึกษา DNA มาเป็นเวลานาน แต่เรายังมีความเข้าใจค่อนข้างน้อยเกี่ยวกับสถาปัตยกรรมสามมิติของมัน”
ทำให้เป็น 4-D งานล่าสุดแสดงให้เห็นว่าการเข้าใจนิวคลีโอมอย่างถ่องแท้นั้นต้องการการวิเคราะห์การจัดเรียงใหม่ของมันในอวกาศเมื่อเวลาผ่านไป นิวคลีโอมของเซลล์เปลี่ยนแปลงไปในช่วงวันเดียวเมื่อเซลล์ตอบสนองต่อสภาพแวดล้อม
ปีที่แล้ว สถาบันสุขภาพแห่งชาติได้เปิดตัวโปรแกรม4-D Nucleome 5 ปี โดยทุ่ม เงินกว่า 120 ล้านดอลลาร์เพื่อระบุเครื่องมือและเทคนิคที่ดีกว่าสำหรับการทำแผนที่ความซับซ้อนของโครงสร้าง 4-D ของจีโนม นักพันธุศาสตร์ นักชีววิทยาระดับโมเลกุล นักคณิตศาสตร์ นักชีวฟิสิกส์ และคนอื่นๆ กำลังอยู่ในภารกิจที่ทะเยอทะยานเพื่อสร้างแผนที่ภูมิประเทศนิวเคลียร์ที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา
ที่ตั้ง ที่ตั้ง ที่ตั้ง
จีโนมมนุษย์แบบหนึ่งมิติเป็นคู่มือการใช้งานทางชีวเคมีสำหรับการสร้างและการทำงานของมนุษย์ คำแนะนำทางพันธุกรรมเขียนด้วยตัวอักษรสี่ตัว — A, T, C และ G ซึ่งเป็นตัวย่อของหน่วยย่อยทางเคมีของ DNA ลำดับที่ถูกต้องของตัวอักษรเหล่านี้เข้ารหัสสูตรสำหรับการสร้างโปรตีนของร่างกายตลอดจนคำแนะนำในการใช้องค์ประกอบทางชีววิทยาเหล่านี้
แต่ในร่างกาย จีโนมเป็นมากกว่าข้อมูลที่เขียนใน DNA นักชีวฟิสิกส์ William Greenleaf จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดกล่าว เป็นวัตถุทางกายภาพที่น่าสนใจ
ในนิวเคลียสของเซลล์ของมนุษย์ สารพันธุกรรมหมุนวนไปรอบๆ หลอดโปรตีน ก่อตัวเป็นตาข่ายของดีเอ็นเอและโปรตีนที่เรียกว่าโครมาติน ซึ่งรวมกลุ่มกันเป็นโครโมโซม 46 ชิ้น โครมาตินโค้งเป็นพันๆ ลูป โดยยึดโปรตีนพิเศษไว้และห่อหุ้มนิวเคลียสทางกายภาพ นักพันธุศาสตร์และนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ Erez Lieberman Aiden จาก Baylor College of Medicine ในฮูสตันกล่าวว่าจีโนมสามารถบีบอัดเข้าไปในส่วนที่แน่นได้โดยไม่พันกันเหมือนสายหูฟังในกระเป๋าของคุณ
เป็นเวลาหลายปีที่นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามหากฎเกณฑ์สำหรับการพับของโครมาตินอย่างระมัดระวัง ในปี 2009 Aiden และเพื่อนร่วมงานของเขาได้นำเสนอข้อมูลในScienceที่สนับสนุนโครงสร้างของลูกปัดโครมาตินที่หนาแน่นและไม่มีรอยแยกที่กระจุกเป็นกระจุกที่ใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ การศึกษาในปี 2012 ในProceedings of the National Academy of Sciencesชี้ว่าโครมาตินจะสลายตัวเป็นรูปแบบต่างๆที่แตกต่างกันไปตามโครโมโซมที่ต่างกันและเมื่อเวลาผ่านไป
แม้ว่านิวคลีโอมอาจดูเหมือนเส้นสปาเก็ตตี้พันกัน แต่ก็เหมือนกับกลุ่มลูกชิ้นที่มีโครงสร้างซับซ้อนมากกว่า ภายในนิวเคลียส โครโมโซมถูกจัดเรียงในตำแหน่งเฉพาะ โครโมโซมแต่ละโครโมโซมประกอบด้วยกลุ่มของสารพันธุกรรมที่อยู่ใกล้กันมากพอที่จะรวมกลุ่มกันเพื่อโต้ตอบ การจัดกลุ่มเหล่านี้ยังสามารถมีส่วนร่วมกับกระจุกที่อยู่ใกล้เคียงจากโครโมโซมอื่นๆ
เช่นเดียวกับข้อความทางพันธุกรรมที่อยู่ภายใน รูปร่างของจีโนมมีคำแนะนำเฉพาะ Greenleaf กล่าวว่า “วิธีที่เซลล์ถูกบีบอัดทำให้เกิดความทรงจำทางกายภาพว่าเซลล์ควรทำอะไร”
ลูปของ DNA ที่เซลล์ไม่ต้องการจะถูกเก็บไว้ห่างจากกลไกทางชีววิทยาที่อ่านพิมพ์เขียวทางพันธุกรรม ทำให้เหลือเพียงยีนที่เกี่ยวข้องเท่านั้นที่เข้าถึงได้เพื่อผลิตโปรตีน จากการศึกษาพบว่าส่วนต่างๆ ของจีโนมที่ถูกผลักไปทางขอบของนิวเคลียสมักจะอ่านได้น้อยกว่า DNA ที่อยู่ตรงกลาง การเตรียมการพิเศษดังกล่าวทำให้เซลล์ต่างๆ มีความหลากหลาย เช่น เซลล์สมอง เซลล์ผิวหนัง และเซลล์ภูมิคุ้มกันทำงานต่างกัน แม้ว่าแต่ละเซลล์จะมีจีโนมเหมือนกันก็ตาม Greenleaf กล่าวว่า “ในเซลล์ประเภทต่างๆ มีการเปลี่ยนแปลงอย่างมากในบริเวณที่มีการใช้งาน
