Ilmuan Membuat Tabel Periodik untuk Inti Sel

Studi yang publish di jurnal Science inj, merupakan studi muncul dari beberapa upaya yang pernah terpisah. Salah satunya berpusat di DNA Zoo, sebuah konsorsium internasional yang mencakup lusinan institusi termasuk Baylor College of Medicine, Pusat Fisika Biologis (CTBP) yang didukung National Science Foundation di Rice University, University of Western Australia dan SeaWorld.

Para ilmuwan di tim DNA Zoo bekerja sama untuk mengklasifikasikan bagaimana kromosom, yang panjangnya bisa beberapa meter, melipat agar muat di dalam inti spesies yang berbeda dari seluruh pohon kehidupan.

“Apakah kami melihat cacing atau bulu babi, squirt laut atau karang, kami terus melihat pola lipatan yang sama muncul,” kata Dr. Olga Dudchenko, salah satu penulis studi baru dan anggota Pusat Arsitektur Genom di Baylor dan CTBP.

Akhirnya, tim menyadari itu hanya melihat varian pada dua desain nuklir secara keseluruhan. “Pada beberapa spesies, kromosom diatur seperti halaman koran yang dicetak, dengan margin luar di satu sisi dan lipatan tengah di sisi lain,” jelas Dudchenko, yang juga co-director DNA Zoo. “Dan kemudian pada spesies lain, setiap kromosom diremas menjadi bola kecil.”

“Jadi kami memiliki teka-teki,” kata Dr. Erez Lieberman Aiden, profesor genetika molekuler dan manusia dan Cendekiawan Emeritus McNair di Baylor, co-direktur Kebun Binatang DNA dan penulis senior studi baru. “Data tersebut menyiratkan bahwa selama evolusi, spesies dapat beralih dari satu jenis ke jenis lainnya. Kami bertanya-tanya: Apa mekanisme pengendaliannya? Mungkinkah mengubah satu jenis nukleus menjadi yang lain di laboratorium?” Aiden juga direktur Pusat Arsitektur Genom dan penyelidik senior di CTBP.

Sementara itu, tim independen di Belanda menemukan sesuatu yang tidak terduga. “Saya sedang melakukan percobaan pada protein yang disebut kondensin II, yang kami tahu berperan dalam bagaimana sel membelah,” kata Claire Hoencamp, salah satu penulis studi dan anggota laboratorium Dr. Benjamin Rowland di Kanker Belanda. Lembaga. “Tapi kami mengamati hal yang paling aneh: Ketika kami memutasi protein dalam sel manusia, kromosom akan benar-benar mengatur ulang. Itu membingungkan!”

Kedua tim bertemu di sebuah konferensi di pegunungan Austria, di mana Rowland mempresentasikan karya terbaru labnya. Mereka segera menyadari bahwa Hoencamp telah menemukan cara untuk mengubah sel manusia dari satu tipe nuklir ke tipe lainnya.

“Ketika kami melihat genom yang dipelajari di DNA Zoo, kami menemukan bahwa evolusi telah melakukan eksperimen kami berkali-kali! Ketika mutasi pada suatu spesies memecahkan kondensin II, mereka biasanya membalik seluruh arsitektur nukleus,” kata Rowland. , penulis senior pada penelitian ini. “Selalu sedikit mengecewakan untuk mendapatkan eksperimen, tetapi evolusi memiliki awal yang sangat panjang.”

Tim memutuskan untuk bekerja sama untuk mengkonfirmasi peran kondensin II. Tetapi kemudian pandemi COVID-19 melanda, dan sebagian besar dunia tutup.

“Tanpa akses ke laboratorium kami, kami hanya memiliki satu cara untuk mengetahui apa yang dilakukan kondensin II,” kata Hoencamp. “Kami perlu membuat program komputer yang dapat mensimulasikan efek kondensin II pada rantai ratusan juta huruf genetik yang menyusun setiap kromosom manusia.”

Tim beralih ke Dr. José Onuchic, Ketua Fisika Harry C. dan Olga K. Wiess di Rice. “Simulasi kami menunjukkan bahwa dengan menghancurkan kondensin II, Anda dapat membuat nukleus manusia ditata ulang menyerupai nukleus lalat,” kata Onuchic, co-director CTBP, yang mencakup kolaborator di Rice, Baylor, Northeastern University dan institusi lain di Houston dan Boston. .

Simulasi dilakukan oleh tim dalam lab Onuchic di CTBP, dipimpin oleh rekan postdoctoral dan penulis pendamping Dr. Sumitabha Brahmachari, bekerja dengan Dr. Vinicius Contessoto, mantan postdoc di CTBP, dan Dr. Michele Di Pierro, senior CTBP penyelidik dan saat ini menjadi asisten profesor di Universitas Northeastern.

“Kami mulai dengan survei yang sangat luas tentang evolusi nuklir selama 2 miliar tahun,” kata Brahmachari. “Dan kami menemukan bahwa begitu banyak bermuara pada satu mekanisme sederhana, yang dapat kami simulasikan serta rekapitulasi, kami sendiri, dalam tabung reaksi. Ini adalah langkah yang menarik di jalan menuju jenis baru rekayasa genom — dalam 3D !”

Pekerjaan di Rice, Baylor dan Northeastern didukung oleh National Science Foundation (NSF), Welch Institute, National Institutes of Health, Behavioral Plasticity Research Institute yang didukung NSF, IBM, Pawsey Supercomputing Center, dan Illumina Inc.

Jurnal Referensi:

• Claire Hoencamp, Olga Dudchenko, Ahmed M. O. Elbatsh, Sumitabha Brahmachari, Ángela Sedeño Cacciatore, Vinícius G. Contessoto, Roy G. H. P. van Heesbeen, Jonne A. Raaijmakers, Tom van Schaik, Bram van den Broek, Aditya N. Mhaskar, Hans Teunissen, David Weisz, Arina D. Omer, Melanie Pham, Zane Colaric, Zhenzhen Yang, Brian Glenn St Hilaire, Suhas S. P. Rao, Namita Mitra, Christopher Lui, Leonid L. Moroz, Andrea Kohn, Judy St. Leger, Alexandria Mena, Karen Holcroft, Weijie Yao, Ruqayya Khan, Maria Cristina Gambetta, Fabian Lim, Emma Farley, Nils Stein, Alexander Haddad, Daniel Chauss, Ayse Sena Mutlu, Evin Hildebrandt, Hans H. Cheng, Christopher J. Knight, Theresa L. U. Burnham, Kevin A. Hovel, Meng C. Wang, Neil D. Young, Andrew J. Beel, Pierre-Jean Mattei, Roger D. Kornberg, Wesley C. Warren, Gregory Cary, José Luis Gómez-Skarmeta, Veronica Hinman, Kerstin Lindblad-Toh, Federica Di Palma, Kazuhiro Maeshima, Liesl Nel-Themaat, Richard R. Behringer, Parwinder Kaur, René H. Medema, Asha S. Multani, Sen Pathak, Bas van Steensel, Elzo de Wit, José N. Onuchic, Michele Di Pierro, Erez Lieberman Aiden, Benjamin D. Rowland. 2021. 3D genomics across the tree of life reveals condensin II as a determinant of architecture type. Science, 2021; 372 (6545): 984 DOI: 10.1126/science.abe2218