Histone H3K9 methylation and Heterochromatin Protein 1 do not limit DNA accessibility in living S. pombe cells

داخل كل خلية حية، لا تطفو الشفرة الوراثية بحرية، بل تلتف بإحكام حول بكرات بروتينية، مكونة مادة معقدة تسمى الكروماتين. يخدم هذا التغليف غرضاً مزدوجاً: فهو يحمي خيوط الحمض النووي (DNA) الطويلة ويتحكم في الأجزاء التي يمكن قراءتها من دليل التعليمات الجينية في أي لحظة معينة. لعقود من الزمن، عمل العلماء بناءً على افتراض مفاده أن هذا الالتفاف يعمل كحارس بوابة، وتحديداً في المناطق المعروفة باسم "الكروماتين المغاير" (heterochromatin). هذه هي الأجزاء شديدة التراص في الجينوم، والتي غالباً ما تُوسم بعلامات كيميائية على البكرات البروتينية وتترابط بواسطة بروتينات محددة، وكان يُعتقد أنها تغلق الحمض النووي بإحكام شديد بحيث لا تستطيع الآلية الخلوية الوصول إليه. كانت هذه الفكرة حول المنطقة المغلقة كانت مركزية لفهم كيفية تنظيم الخلايا لجيناتها، مما يشير إلى أن الوظيفة الأساسية لهذه العلامات الكيميائية والبروتينات الرابطة هي منع الوصول إلى الحمض النووي مادياً.

درس الباحثون هذه الظاهرة لفترة طويلة في كائنات حية مختلفة، بما في ذلك البشر وخميرة البيرة، حيث دعمت الأدلة المستمدة من نوى الخلايا المعزولة الرؤية القائلة بأن الكروماتين المغاير هو بالفعل عائق أمام الدخول. وفي هذه الخميرة، يتم تعريف الكروماتين المغاير من خلال تعديلات كيميائية محددة على بروتينات الهيستون الخاصة بها ووجود بروتين رابط يُعرف باسم HP1. كان النظرية السائدة تفترض أن هذه السمات تعمل معاً لإغلاق الحمض النووي، مما يمنع الوصول إليه. ولاختبار ما إذا كان هذا النموذج صامداً في خلية حية تتنفس بدلاً من عينة ساكنة، طور الباحثون طريقة جديدة لسبر مدى إمكانية الوصول إلى الحمض النووي مباشرة داخل الكائن الحي. فقد أدخلوا نظاماً يمكنه تنشيط إنزيم معين لتعديل الحمض النووي، مما سمح لهم بقياس مدى سهولة وصول هذا الإنزيم إلى أجزاء مختلفة من الجينوم في الوقت الفعلي.

تحدت نتائج هذه التجربة الاعتقاد الذي ساد طويلاً بأن العلامات الكيميائية والبروتينات الرابطة تعمل كجدار مادي. فعندما قاس العلماء الحمض النووي في خلايا خميرة التخمير الحية، وجدوا أن الكروماتين المغاير شديد التراص كان مفتوحاً ومتاحاً تماماً مثل المناطق الأخرى الأقل تراصاً في الجينوم. حتى السنتروميرات (centromeres)، وهي المناطق المتخصصة حيث تتصل الكروماتيدات بالهيكل الداخلي للخلية، كانت متاحة بالكامل في هذا الكائن. وهذا يتناقض مع النتائج في الأنواع الأخرى، حيث تكون السنتروميرات غالباً غير قابلة للوصول. تشير الدراسة إلى أنه في خميرة التخمير الحية، لا تعمل العلامات الكيميائية والبروتينات الرابطة عن طريق سد الباب أمام الحمض النووي. بدلاً من ذلك، يبدو الجينوم ديناميكياً بشكل عالمي، حيث يمكن للآلية الوصول إلى أي جزء تقريباً من الحمض النووي بغض النظر عن نمط التغليف المحلي.

ومع ذلك، تتغير القصة عندما نظر الباحثون إلى الخلايا نفسها بعد كسرها لعزل النوى. ففي هذه العينات المعزولة، أصبح الكروماتين غير قابل للوصول إلى حد كبير، وسلك سلوكاً يطابق تماماً النموذج التقليدي المتوقع. وقد حدد الباحثون أن هذا التحول لم يكن ناتجاً عن فقدان العلامات الكيميائية أو البروتينات الرابطة، بل كان بسبب البنية الفيزيائية للحمض النووي نفسه. ففي النوى المعزولة، كانت البكرات البروتينية متراصة بشدة لدرجة أنه لم تكن هناك مساحة تقريباً بينها لدخول الإنزيمات. هذا التقارب الشديد، الذي يحدث عندما لا تكون الخلية سليمة، يخلق حاجزاً مادياً لا يوجد في الخلية الحية. وبناءً على ذلك، تشير الدراسة إلى أن النظام الكيميائي للعلامات والبروتينات الرابطة في هذه الخميرة لا يكبح النشاط الجيني عن طريق منع الوصول إلى الحمض النووي. إن فكرة أن هذه البروتينات تعمل كقفل لإخفاء الحمض النووي تبدو وكأنها تفسير خاطئ لما يحدث عند إخراج الخلايا من حالتها الطبيعية الحية.