Kodėl skirtingos mūsų organizmo ląstelės, turėdamos tą pačią genetinę informaciją, atlieka visiškai skirtingas funkcijas? Kaip ląstelė „nusprendžia“, kuriuos genus naudoti, o kuriuos palikti neaktyvius? Atsakymų į šiuos klausimus mokslininkai ieško tyrinėdami epigenetinius procesus – mechanizmus, reguliuojančius genų veiklą nekeičiant pačios DNR sekos.
Vilniaus universiteto Gyvybės mokslų centro (VU GMC) mokslininkų komanda, vadovaujama prof. Sauliaus Klimašausko, sukūrė metodą, leidžiantį atskirti konkrečių baltymų indėlį į vieną svarbiausių tokių procesų – DNR metilinimą. Šis pasiekimas suteikia naujų galimybių suprasti, kaip reguliuojama genų veikla, kaip vystosi skirtingos organizmo ląstelės ir kaip šių procesų sutrikimai gali prisidėti prie vėžio ir kitų ligų atsiradimo bei vystymosi.
Tas pats genetinis kodas – skirtingos ląstelių funkcijos
Vienas svarbiausių genų veiklos reguliavimo mechanizmų yra DNR metilinimas. Šio proceso metu prie tam tikrų DNR vietų prijungiamos nedidelės cheminės grupės, kurios gali turėti įtakos genų aktyvumui. Tačiau kaip ląstelė „žino“, kuriose DNR vietose šie cheminiai ženklai turi atsirasti, ir kokį poveikį jie daro genų veiklai?
VU GMC mokslininkė dr. Liepa Gasiulė siūlo DNR įsivaizduoti kaip didžiulį žemėlapį, kuriame užkoduota informacija apie organizmo veiklą.
„Epigenetiniai pokyčiai veikia tarsi papildomi ženklai šiame žemėlapyje – jie padeda ląstelei orientuotis ir nurodo, kurias DNR vietas naudoti, o kurias tuo metu palikti nuošalyje. Svarbu tai, kad pats žemėlapis – DNR seka – nesikeičia, tačiau pasikeičia tai, kaip ląstelė juo naudojasi“, – aiškina mokslininkė.
Nors DNR metilinimas tyrinėjamas jau ne vieną dešimtmetį, mokslininkams vis dar sudėtinga nustatyti, kuris konkretus baltymas atsakingas už tam tikro cheminio ženklo atsiradimą. Mat ląstelėje vienu metu veikia keli tokias žymes kuriantys baltymai, todėl jų veiklos rezultatus sunku atskirti.
VU GMC mokslininkų sukurtas metodas leidžia atskirti konkretaus baltymo indėlį į DNR metilinimo procesą. Tam naudojamas specialus molekulinis žymėjimas, padedantis nustatyti, kuriose DNR vietose veikė tiriamasis baltymas.
„Tai būtų panašu į situaciją, kai iš tūkstančio žmonių vienam duodame specialų rašiklį. Visi jie dirba kartu ir palieka savo darbo pėdsakus, tačiau tik vieno žmogaus atliktą darbą galime atpažinti pagal jam būdingą ženklą“, – metodo veikimo principą paaiškina dr. L. Gasiulė.
Vienas svarbiausių metodo privalumų – galimybė tirti atskirų baltymų veiklą minimaliai sutrikdant įprastą ląstelės būseną. Tai leidžia geriau suprasti procesus sąlygomis, artimesnėmis natūraliai ląstelės aplinkai.
Naujos galimybės tirti su vėžiu siejamus procesus
Taikydami sukurtą metodą, mokslininkai gali atskirai tyrinėti dviejų svarbių DNR metilinime dalyvaujančių fermentų – DNMT1 ir DNMT3A – veiklą gyvose ląstelėse.
Šie fermentai padeda kurti ir palaikyti chemines DNR žymes, turinčias reikšmės genų veiklos reguliavimui. Iki šiol mokslininkai dažniausiai galėdavo matyti jau susiformavusį DNR metilinimo vaizdą, tačiau naujasis metodas leidžia išsamiau tirti patį jo formavimosi procesą ir atskirų fermentų indėlį.
„Iki šiol dažniausiai matydavome galutinį metilinimo rezultatą, o dabar galime stebėti, kaip jis susiformuoja. Tai suteikia galimybę geriau suprasti, kuo skiriasi atskirų fermentų vaidmuo ir kaip jų veikla priklauso nuo konkrečios ląstelės aplinkos“, – pasakoja VU GMC mokslininkas dr. Vaidotas Stankevičius.
Tai svarbu siekiant išsiaiškinti, kaip iš vienos pradinės ląstelės susiformuoja skirtingų tipų ląstelės, kaip jos įgyja specifines savybes ir jas išsaugo.
Ne mažiau reikšmingas šis metodas ir ligų tyrimams.
Metodas gali padėti geriau suprasti vėžio vystymąsi
Vienas iš mokslininkų tiriamų fermentų, DNMT3A, yra siejamas su tam tikrais vėžiniais susirgimais, ypač kraujo vėžiu. Pakitusi jo veikla gali sutrikdyti normalų kraujodaros kamieninių ląstelių vystymąsi ir prisidėti prie piktybinių pokyčių.
Ypač svarbus DNMT3A vaidmuo nustatytas sergant ūmine mieloidine leukemija – viena iš kraujo vėžio formų. Mokslininkų pateiktais duomenimis, DNMT3A geno mutacijos aptinkamos maždaug penktadalyje šios ligos atvejų ir siejamos su prastesne prognoze.
Galimybė tiksliau nustatyti, kur ir kaip veikia šis fermentas, ateityje gali padėti geriau suprasti biologinius procesus, prisidedančius prie ligos atsiradimo.
„Jeigu galime tiksliau nustatyti, kaip ir kada sutrinka DNR epigenetinis reguliavimas, galime geriau suprasti ligos atsiradimo mechanizmą. Ilgainiui toks fundamentinis supratimas gali prisidėti prie naujų ligų žymenų ar gydymo strategijų paieškos“, – teigia dr. V. Stankevičius.
Metodo taikymo galimybės neapsiriboja vien vėžio tyrimais. Mokslininkų teigimu, jis taip pat gali būti naudingas nagrinėjant vystymosi sutrikimus, neurologines, autoimunines, medžiagų apykaitos ir kitas ligas, kurių vystymuisi svarbūs epigenetiniai pokyčiai.
Pirmasis signalas, kurio teko laukti ne vienus metus
Mokslininkų kelias iki šio atradimo nebuvo lengvas. Kuriant naują metodą netrūko nesėkmingų eksperimentų, abejonių ir momentų, kai atrodė, kad pasirinktas sprendimas neveikia. Vis dėlto vieną naktį laboratorijoje tyrėjai pirmą kartą užfiksavo signalus, rodančius DNMT3A fermento veiklą.
„Tai buvo viena tų akimirkų, kai kelių mėnesių ar net metų darbas staiga įgauna labai konkretų rezultatą. Pirmasis signalas buvo nedidelis, bet mums reiškė labai daug, nes už jo slypėjo daugybė bandymų ir valandų laboratorijoje“, – prisimena dr. V. Stankevičius.
Tačiau pirmasis sėkmingas eksperimentas buvo tik pradžia. Tyrėjams dar reikėjo įsitikinti, kad užfiksuoti signalai iš tiesų atspindi DNMT3A veiklą. Tam prireikė daugybės papildomų eksperimentų, kontrolinių bandymų ir pakartotinių rezultatų patikrinimų. Nuo pirmojo signalo iki galutinės mokslinės publikacijos praėjo ne mažiau kaip dveji metai.
Pasak dr. L. Gasiulės, ši patirtis dar kartą patvirtino, kad moksliniame darbe svarbios ne tik žinios ir gebėjimas atlikti eksperimentus, bet ir atkaklumas, kritinis mąstymas bei gebėjimas mokytis iš nesėkmių.
„Moksliniame darbe nesėkmingi eksperimentai taip pat gali būti vertingi, jei gebi iš jų pasimokyti, padaryti reikšmingas išvadas, kritiškai įvertinti savo prielaidas, prireikus pakeisti planą ir toliau nuosekliai siekti savo tikslo“, – sako mokslininkė.
Tyrimus finansavo Lietuvos ŠMSM programa „Universitetų ekscelencijos iniciatyva“ (projektas Nr. 12-001-01-01-01/S-A-UEI-23-10).
