Mózg, jego rozwój oraz choroby, to jeden z najciekawszych obszarów badań współczesnej nauki. Zespół prof. Aleksandry Pękowskiej z Instytutu Nenckiego w Warszawie odkrył nowy mechanizm zaangażowany w proces dojrzewania komórki mózgowej na początku jej rozwoju. Wiele kryje się w sposobie, w którym DNA układa się w jądrze komórkowym. Może być to klucz do leczenia chorób rozwojowych mózgu oraz nowotworów, m.in. glejaka. 

Prof. Aleksandra Pękowska to znana w całej Europie badaczka kierująca Centrum Dioscuri Biologii Chromatyny i Epigenomiki w Instytucie Nenckiego. Badania jej zespołu skupiają się na lepszym zrozumieniu ewolucji oraz rozwoju komórek mózgu, głównie astrocytów. W najnowszej publikacji grupy, która ukazała się właśnie w prestiżowym „Nature Cell Biology”, skupiono się na mechanizmach sterujących tym, że komórka macierzysta, mająca zdolność stać się zarówno neuronem, jak i astrocytem, ostatecznie podąża określoną drogą rozwoju, stając się jednym albo drugim.

Kluczowe znaczenie w tym procesie ma sposób, w jaki materiał genetyczny, czyli genom, układa się w jądrze komórkowym. Genom występuje w formie chromosomów, czyli bardzo długich i cienkich nici DNA, które łatwo rozerwać, co może prowadzić do mutacji i chorób. Ponadto, z uwagi na rozmiar jądra komórkowego – ma ono zaledwie parę mikronów – potrzebna jest kondensacja genomu. Dzieje się to dzięki interakcji DNA z białkami i RNA. Tak powstaje chromatyna (DNA plus białka i RNA), a genom się usztywnia i upakowuje ograniczonej przestrzeni jądra komórkowego.

Dzięki temu materiał genetyczny zostaje zabezpieczony przed uszkodzeniami. Z drugiej jednak strony, jego kondensacja ogranicza dostęp białek regulujących aktywność genów. Dlatego też indywidualne chromosomy (fragmenty chromatyny) są zorganizowane w serię jednostek zwanych domenami.  Pod mikroskopem, domeny te przypominają kłębki. Tak dzieje się we wszystkich rodzajach komórek. Każdy chromosom można sobie więc wyobrazić jak sekwencje mniejszych i większych koralików (tj. domen). To, jak granice między tymi strukturami są regulowane to jedno z podstawowych problemów w biologii genomów.

- Białko CTCF ustanawia granice domen. Co ciekawe, okazuje się, że obie granice domeny mogą się również ze sobą łączyć, tworząc, to co nazywamy w naszym żargonie, pętlą chromatynową. Tak jest we wszystkich typach komórek – mówi prof. Pękowska. Badania naukowców z Instytutu Nenckiego, jak i doniesienia innych grup, wskazują na zaskakujący fenomen – domeny oraz pętle chromatynowe stają się stopniowo coraz bardziej zaznaczone podczas rozwoju.

- W przypadku badanych przez nas komórek neuronalnych myszy, owa konsolidacja struktury chromatyny trwa od pierwszych dni rozwoju embrionu do narodzin. Wtedy komórki tracą swoją pluripotencjalność (czyli możliwość stania się dowolną komórką organizmu) i zaczynają się definiować jako bardziej dojrzałe formy – opowiada badaczka.

W swojej najnowszej pracy jej zespół dowiódł, iż w konsolidacji chromatyny zasadniczą rolę odgrywają jądrowe białka wiążące RNA. Okazało się bowiem, że CTCF znacząco zwiększa interakcje z białkami wiążącymi RNA podczas rozwoju komórki.

– Są ich dziesiątki. Wykonaliśmy serię eksperymentów polegających na usuwaniu wybranych białek wiążących RNA, chcąc zobaczyć, jak to wpłynie na CTCF i na strukturę chromatyny. Eliminacja nawet jednego sprawiła, że granice domen słabły, a chromatyna stawała się bardziej nieuporządkowana. Zastanawiało nas, jak to się dzieje, że choć białka wiążące RNA są obecne w komórkach pluripotencjalnych, jak i tych bardziej zróżnicowanych, CTCF reaguje z nimi znacząco dopiero na etapie dalszego rozwoju komórki w kierunku neuronu czy astrocytu – mówi prof. Pękowska.

Z badań jej zespołu wynika, że elementem zarządzającym całym tym procesem jest niekodujące RNA o nazwie Pantr1.

- Niekodujące RNA to enigmatyczni gracze, wpływający na przeróżne procesy w komórkach. Pomimo że nie kodują białek (skąd ich nazwa), mogą się z nimi łączyć i przez to modyfikować ich aktywność oraz funkcje. Odkryliśmy, że Pantr1 jest aktywny wyłącznie w komórce prekursorowej układu nerwowego, gdzie reaguje z CTCF. Jego usunięcie sprawia, że granice domen się rozpadają. Nasze dane sugerują, iż interakcja Pantr1 z białkami wiążącymi RNA i CTCF prowadzi do konsolidacji struktury chromatyny wpływając na dalszy rozwój komórki – tłumaczy mgr Bondita Dehingia, współpierwsza autorka pracy w „Nature Cell Biology”.

W drugiej części swojego artykułu badacze wykazali, że CTCF jest kluczowe dla sterowania kolejnością aktywacji genów odpowiedzialnych za rozwój komórek nerwowych.

- Rozwój mózgu jest rozłożony w czasie. Bez CTCF i jego funkcji regulatora struktury chromatyny, w komórkach następuje przedwczesna aktywacja genów neuronalnych. Zamiast się mnożyć, by potem stać się albo neuronem albo astrocytem, komórka prekursorowa może wtedy za szybko przeobrazić się w neuron. Zaburzyłoby to prawidłowy przebieg procesów rozwojowych układu nerwowego – mówi mgr Małgorzata Milewska-Puchała, druga współpierwsza autorka manuskryptu.

Międzydyscyplinarna publikacja w „Nature Cell Biology” to efekt współpracy naukowców z Instytutu Nenckiego m. in. z matematykami z Centrum Dioscuri Topologicznej Analizy Danych, którym kieruje prof. Pawła Dłotko. Z kolei prof. Jeroen Krijgsveld, ekspert analizy proteomicznej z Niemieckiego Centrum Badań nad Rakiem w Heidelbergu pomógł odkryć białkowych partnerów CTCF, a specjaliści mikroskopii superrozdzielczej, kierowani przez prof. Timo Zimmermanna, w Europejskim Laboratorium Biologii Molekularnej, również w Heidelbergu, umożliwili dostrzeżenie wpływu rozwoju na to, jak białko CTCF jest rozłożone w jądrach komórek.

Teraz zespół prof. Pękowskiej zamierza sprawdzić, czy za pomocą niekodującego RNA Pantr1 oraz białek wiążących RNA da się sterować rozwojem komórek mózgu. A co za tym idzie – leczyć choroby wynikające z ich nieprawidłowego dojrzewania.
– Pantr1 jest bardzo aktywne w najbardziej agresywnym nowotworze mózgu - glejaku. Nasuwa się pytanie, czy jest to związane ze zmianami w strukturze chromatyny, które wspomagają postęp choroby. W dalszych badaniach planujemy odpowiedzieć na to pytanie – podsumowuje prof. Pękowska.

Badania zrealizowano w ramach grantu OPUS-17, przyznanego przez Narodowe Centrum Nauki (2019/33/B/NZ2/02437) oraz grantu Dioscuri (Program zainicjowany przez Towarzystwo Maxa Plancka, zarządzany wspólnie z Narodowym Centrum Nauki i finansowany wspólnie przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego (MNiSW) oraz niemieckie Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań (BMBF)).

Oryginalny tekst publikacji: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12431861/

Kontakt: a.pekowska@nencki.edu.pl