Skomplikowany proces powielania informacji genetycznej, zwany replikacją DNA, leży u podstaw przenoszenia życia z jednej komórki do drugiej i z jednego organizmu do drugiego. Dzieje się to nie tylko poprzez proste kopiowanie informacji genetycznej; dobrze zaaranżowana sekwencja zdarzeń molekularnych musi nastąpić we właściwym czasie. Naukowcy z prof. Marii-Eleny Torres-Padilla z Helmholtz Monachium odkryli niedawno fascynujący aspekt tego procesu, znany jako „czas replikacji” (RT), i wyjaśniający, jak wyjątkowy jest ten moment, gdy zaczyna się życie. Nowe wyniki opublikowano obecnie w czasopiśmie Nature.
Proces czasu replikacji DNA (RT) odnosi się do konkretnych momentów, w których duplikują się różne regiony naszego kodu genetycznego. Naukowcy z Instytutu Epigenetyki i Komórek Macierzystych w Helmholtz Monachium wdrożyli technikę zwaną „Repli-seq”, aby zagłębić się w ścisły związek między RT a zdolnościami adaptacyjnymi komórek, czyli plastycznością komórkową. Co ciekawe, odkryli także nowy związek między RT a sposobem składania genów w trójwymiarowe struktury wewnątrz jądra komórkowego.
Zaczynając od najwcześniejszego stadium embrionu, zygoty – czyli od samego początku życia organizmu – badacze stworzyli mapę RT od etapu jednokomórkowego do etapu, w którym zarodek zagnieżdża się w łonie matki, zwanego blastocysta. Nieoczekiwanym odkryciem jest to, że RT w zarodku jednokomórkowym nie jest zbyt uporządkowana, co prowadzi do sugestii, że duplikacje genomu są bardzo elastyczne w tych wczesnych komórkach. Jednakże po etapie 4-komórkowym RT staje się bardziej określona. Zachodzi stopniowy proces, odzwierciedlający stopniowe nabywanie modyfikacji w DNA i związanych z nim białkach, tak zwanych śladów chromatyny, które wskazują na aktywność genów i ich znaczenie w funkcjach komórki.
Maria-Elena Torres-Padilla, autorka badania, wyjaśnia dalej: „To niezwykłe, ponieważ mówi nam, że te wczesne komórki zarodkowe mają bardzo «plastyczny» program duplikacji genomu. Ponieważ te wczesne komórki są totipotencjalne, oznacza to, że: mogą stworzyć każdą pojedynczą komórkę w naszym ciele. Uważamy, że to, co odkryliśmy w tym badaniu, jest jednym z powodów, dla których te komórki są tak niezwykłe zdolne do generowania całego ciała”. Nowe odkrycia dotyczące replikacji DNA mogą posłużyć jako narzędzie do przeprogramowania komórek. Dr Tsunetoshi Nakatani, pierwszy autor badania, dodaje: „Możemy sobie wyobrazić zmianę tożsamości komórki poprzez zmianę programu RT na bardziej elastyczny”.
Wyniki pokazują ponadto, że polimeraza RNA, powszechnie znana jako enzym odpowiedzialny za odczyt kodu genetycznego i transkrypcję go na RNA, przyczynia się do określenia dokładnego programu RT, dostarczając wskazówek, jak móc manipulować takim programem w przyszłości . Zespół badawczy odkrył, że najpierw kształtuje się trójwymiarowa struktura genomu, po czym ustalany jest program RT. To ekscytujące odkrycie, ponieważ zakłada, że sposób, w jaki nasz genom dostosowuje się do trójwymiarowej przestrzeni jądra komórkowego, wpływa na elastyczność programu RT.
Podsumowując, czas replikacji DNA jest fascynującym elementem układanki w wielkiej narracji o życiu. Pokazuje, jak precyzja replikacji genetycznej jest ściśle powiązana ze zdolnością komórek wczesnego zarodka do generowania innych typów komórek w naszym organizmie. W miarę jak badacze kontynuują badanie tych powiązań, zyskujemy głębsze zrozumienie samej istoty przenoszenia życia, komórki do komórki, organizmu do organizmu i tego, co sprawia, że komórka jest zdolna do generowania nowego ciała.