ATAC-seq and MNase-seq Detect Distinct Modes of Chromatin Accessibility

داخل نواة كل خلية، لا يتم ترتيب الشفرة الوراثية ككتاب مفتوح ومترهل؛ بل إن خيوط الحمض النووي (DNA) الطويلة تلتف بإحكام حول بكرات بروتينية تسمى النيوكليوسومات، مكونةً بنية كثيفة ومنظمة تُعرف بالكروماتين. ولكي تتمكن الخلية من قراءة جيناتها وإنتاج البروتينات التي تحتاجها، يجب أن تكون الآلية التي تقوم بهذا العمل قادرة على الوصول إلى الحمض النووي. وهذا يعني أن الكروماتين يجب أن يكون "مفتوحاً" أو متاحاً في نقاط محددة. وقد اعتمد العلماء لفترة طويلة على أداتين رئيسيتين لرسم خرائط هذه المناطق المفتوحة: إحداهما تستخدم إنزيماً هاضماً لنهش الحمض النووي غير المحمي، والأخرى تستخدم آلة جزيئية لقطع ووسم النقاط المتاحة. ولسنوات، افترض المجتمع العلمي أن هاتين الأداتين تنظران ببساطة إلى الشيء نفسه من زوايا مختلفة قليلاً، مما يوفر خرائط متكررة لأماكن كون الحمض النووي حراً للعمل.

تتحدى دراسة جديدة هذا الافتراض الذي ساد طويلاً، حيث تُظهر أن هاتين الأداتين تكشفان في الواقع عن حالتين مختلفتين تماماً للجينوم. فقد قام الباحثون، الذين عملوا بشكل أساسي على خميرة البيرة (الخميرة البرعمية)، وهي كائن بسيط ذو جينوم صغير يعمل كنموذج قوي لفهم الحياة الأكثر تعقيداً، بإجراء مقارنة جنباً إلى جنب بين هذين الأسلوبين. ووجدوا أن الخرائط التي أنتجتها التقنيتان نادراً ما تطابقت. في الواقع، أظهرت حوالي خُمس المناطق المفتوحة التي حددتها الطريقة الأولى فقط في الخريطة التي أنشأتها الطريقة الثانية. وهذا التباين ليس خطأً أو خللاً تقنياً، بل هو سمة أساسية لكيفية سلوك الكروماتين. وتشير الدراسة إلى أن ما كان يسميه العلماء "الكروماتين المفتوح" هو في الواقع مزيج من ظاهرتين بيولوجيتين متميزتين: إحداهما تمثل مساحة فارغة مستقرة حيث اختفت النيوكليوسومات تماماً، والأخرى تمثل منطقة ديناميكية متغيرة حيث لا تزال النيوكليوسومات موجودة ولكن يتم دفعها وسحبها باستمرار بواسطة الآليات الخلوية.

بدأ الباحثون برسم خريطة لجينوم الخميرة باستخدام كلا التقنيتين. الطريقة الأولى، التي تستخدم إنزيماً هاضماً، تحدد المناطق التي تغيب فيها النيوكليوسومات تماماً، تاركة فجوة واضحة في بكرات البروتين. هذه الفجوات، المعروفة باسم المناطق المستنفدة من النيوكليوسومات، توجد عادة عند بداية الجينات حيث تحتاج آلة النسخ إلى التجمع. أما الطريقة الثانية، التي تستخدم آلة جزيئية لقطع ووسم الحمض النووي، فتحدد المناطق التي يكون فيها الحمض النووي متاحاً بما يكفي لترتبط به الآلة. وعندما وضع الفريق هاتين الخريطتين فوق بعضهما البعض، كانت النتائج مذهلة. فقد ظهرت حوالي عشرين بالمائة فقط من الفجوات التي وجدتها الطريقة الأولى أيضاً في الطريقة الثانية. وعلى العكس من ذلك، فإن حوالي نصف النقاط المتاحة التي وجدتها الطريقة الثانية كانت تتوافق مع الفجوات التي وجدتها الطريقة الأولى. وهذا يعني أن جزءاً كبيراً من الجينوم كان يُقرأ على أنه "مفتوح" بواسطة أداة واحدة ولكن "مغلق" أو مشغول بواسطة الأخرى.

ولفهم سبب حدوث ذلك، استبعد الفريق أولاً فكرة أن الاختلاف يعود ببساطة إلى امتلاك الإنزيمات تفضيلات مختلفة لتسلسلات معينة من الحمض النووي. كما تحققوا مما إذا كان حجم الفجوات يهم، ووجدوا أنه بينما كان من الصعب اكتشاف الفجوات الأقصر، إلا أن هذا وحده لا يمكن أن يفسر التباين الهائل. وبدلاً من ذلك، اكتشفوا أن الطريقتين حساسان لخصائص فيزيائية مختلفة للكروماتين. فالخفايا التي حددتها الطريقة الأولى كانت مساحات مستقرة وفارغة حيث يكون الحمض النووي حراً حقاً من النيوكليوسومات، وغالباً ما كانت هذه المناطق مميزة ببروتينات محددة تساعد في بدء نسخ الجينات. وفي المقابل، كانت النقاط التي اكتشفتها الطريقة الثانية غالباً مناطق لا تزال النيوكليوسومات موجودة فيها، ولكنها كانت ديناميكية للغاية؛ حيث لم تكن هذه النيوكليوسومات ثابتة، بل كانت تتعرض باستمرار لزعزعة الاستقرار، أو فك الالتفاف، أو التحريك بواسطة آلات خلوية قوية تُعرف بالمنظمات المساعدة.

حددت الدراسة عائلة معينة من الآلات الخلوية، تسمى SWI/SNF، باعتبارها المحرك الرئيسي لهذه الإمكانية الديناميكية. فعندما أزال الباحثون هذه الآلات من خلايا الخميرة، اختفت الإشارات من الطريقة الثانية، رغم أن الفجوات المستقرة التي حددتها الطريقة الأولى ظلت دون تغيير كبير. وقد أثبت هذا أن الطريقة الثانية لم تكن ترى مجرد مساحة فارغة، بل كانت تكتشف نشاط هذه الآلات أثناء عملها على إرخاء بنية الكروماتين. ووجد الباحثون أيضاً أن أنواعاً مختلفة من عوامل النسخ — وهي البروتينات التي تقرر أي الجينات يتم تشغيلها — لديها قدرات مختلفة على خلق هذين النوعين من الكروماتين المفتوح. فبعض العوامل يمكنها ببساطة دفع النيوكليوسومات جانباً لإنشاء فجوة مستقرة، بينما يحتاج البعض الآخر إلى استدعاء آلات SWI/SNF لخلق الحالة الديناميكية المتاحة التي تكتشفها الطريقة الثانية.

هذا التمييز يثبت أهميته بما يتجاوز مجرد الخميرة. فقد كرر الباحثون تحليلهم في كائنات أخرى، بما في ذلك نوع آخر من الخميرة، وذباب الفاكهة، والخلايا البشرية. وفي كل حالة، وجدوا نفس النمط: الطريقتان تحددان مجموعات فرعية مختلفة من الكروماتين المفتوح. وفي الخلايا البشرية، كانت المناطق الديناميكية التي اكتشفتها الطريقة الثانية مرتبطة غالباً بنفس الآلات الخلوية الموجودة في الخميرة، مما يشير إلى أن هذه الآلية هي جزء أساسي من كيفية تنظيم الكائنات المعقدة لجيناتها. وتوحي النتائج بأنه عندما ينظر العلماء إلى هذه الخرائط، فهم لا يرون مجرد صورة ثابتة لمكان كون الحمض النووي حراً، بل يرون مشهداً معقداً حيث تكون بعض المناطق ممهدة دائماً لحركة المرور، بينما تكون مناطق أخرى بمثابة مناطق بناء مزدحمة حيث يتم فتح وإغلاق الطريق باستمرار بواسطة العمال الخلويين.

إن تداعيات هذا العمل كبيرة لكيفية فهمنا لتنظيم الجينات. فهي تشير إلى أن القدرة على تشغيل الجين أو إيقافه لا تتعلق فقط بما إذا كان الحمض النووي متاحاً فيزيائياً، بل بنوع الإمكانية المحدد. فقد تكون الفجوة المستقرة كافية لجين يعمل دائماً، بينما قد تكون الإمكانية الديناميكية المدفوعة بالآلات مطلوبة للجينات التي تحتاج إلى الاستجابة بسرعة للتغيرات في البيئة. ومن خلال إدراك أن هاتين الأداتين تقيسان شيئين مختلفين، يمكن للعلماء الآن تفسير بياناتهم بدقة أكبر؛ حيث يمكنهم التمييز بين جين ينتظر ببساطة في حقل مفتوح، وجين يتم تحضيره بنشاط للعمل من قبل الآليات التنظيمية للخلية. إن هذا الفهم الأعمق للحالة الفيزيائية للجينوم يقربنا من فك رموز المنطق المعقد للحياة، ويظهر أن إمكانية الوصول إلى شفرتنا الوراثية هي عملية أكثر دقة ونشاطاً مما كان متخيلاً سابقاً.