Super-resolution-Mikroskopie beleuchtet Zusammenhänge zwischen Chromosomen

Super-resolution-Mikroskopie beleuchtet Zusammenhänge zwischen Chromosomen

Dank der super-resolution-Mikroskopie haben die Wissenschaftler jetzt in der Lage, um eindeutig zu identifizieren und physikalische Zusammenhänge zwischen der menschlichen Chromosomen. Die Erkenntnisse haben ans Licht gebracht, die ein neues Verständnis zu einer merkwürdigen Beobachtung zuerst gemacht vor mehr als 50 Jahren.

Der Stowers Institut für Medizinische Forschung Wissenschaftler sondierten diese physikalischen verbindungen zwischen den fünf Chromosomen in den menschlichen Karyotyp in einem kürzlich veröffentlichten Bericht online im Journal of Cell Biology.

„Inter-Chromosom-verbindungen können erweisen sich als ein fester und verbreiteter leitende Funktion der Chromosomen-Organisation, die in vielen Arten von menschlichen Zellen“, sagt Stowers Investigator Jennifer Gerton, Ph. D., wer führte die Forschungsgruppe untersucht die Grundlagen und die Funktion dieser verbindungen.

Die verbindungen wurden entdeckt bei der recherche auf die Organisation des menschlichen Genoms. Tamara Potapova, Ph. D., ein Forschungs-Spezialist in der Gerton Lab, Stowers gemeinsam mit Mikroskopie und Computational Biology teams zu nutzen, strukturelle image super-resolution-Mikroskopie (SIM) – Technologie, die visualisiert biologischen Proben in nanoskaliger Auflösung, und DNA-Sequenzierung, die Analyse in diesen Studien.

Potapova, Erstautor der Studie, erklärt, dass Sie und Ihre Kollegen waren überrascht, als die SIM-Bilder konsequent offenbart verbindungen, die zwischen fünf der zwanzig-drei menschlichen Chromosomen. „Wir wussten, dass es gab Berührungspunkte zwischen dupliziert Schwester Kopien der Chromosomen, die aber nicht zwischen den heterologen Chromosomen“, sagt Sie. „Ich war fasziniert, warum die gleichen fünf Chromosomen angezeigt verbindungen in viele verschiedene Zelltypen.“

Potapova sich mehrere zuvor veröffentlichte Berichte über mögliche inter-chromosomale verbindungen. Die meisten dieser Beobachtungen wurden während zytogenetische Untersuchungen, lange vor dem Aufkommen von super-resolution-Mikroskopie-Methoden.

Eine frühe Beobachtung von inter-Chromosom-verbindungen wurde in der Fachzeitschrift Lancet im Jahr 1961 von dem britischen Genetiker Malcolm A. Ferguson-Smith. Wegen der sehr begrenzten Auflösung der Mikroskopie an, dass die Zeit, die verbindungen waren kaum sichtbar, Ferguson-Smith, jetzt ein emeritierter professor an der Universität von Cambridge. Jedoch, in der Lancet Papier, er schrieb, dass einige der Chromosomen, die er beobachtet in seinem zytogenetische Untersuchungen zu sein Schienen, verbunden durch kurze Arme wie ein paar „Akrobaten an den Händen halten.“

Die Stowers Forscher erkannte, dass die fünf Chromosomen, die angezeigt werden inter-chromosomale verbindungen waren miteinander verbunden und über eine gemeinsame Sequenz der ribosomalen DNA (rDNA). Diese Sequenz kodiert für die ribosomale RNA (rRNA) – Moleküle essentiell für die Bildung von Ribosomen, den protein-Herstellungs-Fabriken der Zellen. Diese Sequenzen sind in der Nähe der enden von fünf verschiedenen menschlichen Chromosomen und handeln können, wie die „Hände“ der Akrobaten, halten die anderen Chromosomen zusammen.

Die Forscher auch festgestellt, rDNA-verbindungen in viele verschiedene menschliche Zelltypen. rDNA-links waren allgegenwärtig sowohl in gesundem und krankem Gewebe, die angeben, dass Sie keine pathologischen, sagt Potapova.

In dem Papier, das Stowers-Forscher und Ihre co-Autoren von Singapurs Agentur für Wissenschaft, Technologie und Forschung und dem Lawrence Berkeley National Laboratory schlagen vor, dass die strukturelle basis der rDNA-verbindungen zwischen den Chromosomen ist topologische Stellwerke, oder catenations.

Das Stellwerk könnte erfolgen über eine Kombination von zwei Faktoren. Der erste Faktor ist die Intensive transkriptionelle Aktivität in den nucleolus, der Ort der Ribosomen-Biogenese in den Zellkern. Der zweite Faktor ist die Präsenz von Strängen rDNA-Sequenzen aus verschiedenen heterologen Chromosomen in den Nukleolus. Aufgrund Ihrer engen Nähe in der überfüllten Umgebung des nucleolus, Stränge von rDNA-Sequenzen können gegeneinander stoßen.

Diese Stränge werden können, miteinander verzahnt durch die Aktionen des Enzyms topoisomerase-II -. Zu beseitigen supercoiling stress aufgrund der hohen Ebenen der Transkription, topoisomerase-II-muss ständig brechen und wieder in die DNA-Stränge. In dem Papier schlagen die Forscher, dass das Enzym verwickeln könnte Stränge, die aus der rDNA-Regionen auf zwei verschiedenen Chromosomen, wodurch die verbindungen.

Die Forscher auch festgestellt, dass zusätzlich zur Bildung von rDNA-verbindungen, die topoisomerase II sorgt dafür, dass rDNA-verbindungen zwischen den Chromosomen aufgelöst werden, wenn die Chromosomen aufteilen. Neben der topoisomerase II, die research-team identifiziert andere Faktoren modulieren, dass die verbindungen. Faktoren, die die Transkription von rDNA-Anzahl der verbindungen erhöhen, einschließlich der c-Myc – gen, ein globaler regulator der Ribosomenbiogenese und der protein-Synthese und der upstream-binding-Faktor (UBF) Transkriptionsfaktor, der die Mäntel der rDNA-verbindungen.

Die Forschungsergebnisse könnten Aufschluss über die Entstehung der chromosomalen Fusionen, die dazu führen, robertsonsche Translokationen, die häufigste Chromosomenanomalie beim Menschen. Robertsonsche Translokationen sind Fusionen zwischen zwei Chromosomen, enthalten rekombinantes. Der Nähe zur Verfügung gestellt von den verbindungen, die die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass diese Chromosomen-enden miteinander verschmolzen, wenn eine Pause Auftritt, in der DNA. Robertsonsche Translokationen können zu Unfruchtbarkeit führen und trisomien wie dem Down-Syndrom.

Die Gerton Labor weiter, um zu untersuchen, ob andere Regionen des Genoms sich an inter-chromosomale verbindungen. Gerton sagt, „Die Ergebnisse aus diesen Studien haben enthüllt eine neue Art von Chromosom-Chromosom Interaktion. Jetzt wollen wir wissen, ob Regionen, die zusätzlich zu den rDNA-können sich in diese Art der Interaktion mit ähnlichen Mechanismen.“

Andere studieren, Beiträge zu Jay R. Unruh, Ph. D., Zulin Yu, Ph. D., und Hua Li, Ph. D., von der Stowers Institute, Giulia Rancati, Ph. D., von der Agentur für Wissenschaft, Technologie und Forschung in Singapur und Martha R. Stampfer, Ph. D., von der Lawrence Berkeley National Laboratory.