Epi-PoreC: a nanopore-based method for simultaneous profiling of chromatin conformation, DNA methylation, and chromatin accessibility

إن الجينوم ليس مجرد مكتبة ثابتة من التعليمات المخزنة داخل الخلية؛ بل هو بنية ديناميكية ثلاثية الأبعاد، تلتوي وتلتف للتحكم في كيفية قراءة الجينات. ولفهم كيفية عمل الحياة، يجب على العلماء النظر إلى هذه البنية من ثلاث زوايا مختلفة في آن واحد. أولاً، يحتاجون إلى رؤية كيف تتلامس وتتفاعل أجزاء متباعدة من شريط الحمض النووي (DNA)، مكونةً حلقات وجسوراً تجلب جينات معينة تحت سيطرة منظماتها. ثانياً، يجب عليهم رسم خريطة للعلامات الكيميائية الملتصقة بالحمض النووي، والتي تعمل كمفاتيح تشغل الجينات أو تطفئها دون تغيير الشفرة الأساسية. ثالثاً، يحتاجون إلى تحديد أي أجزاء من الحمض النووي مفتوحة ومتاحة للآليات الخلوية، وأي أجزاء مضغوطة ومخفية بعيداً. لسنوات طويلة، اضطر الباحثون لدراسة هذه السمات الثلاث بشكل منفصل، باستخدام تجارب مختلفة على عينات مختلفة. هذا النهج يترك فجوة: نظرًا لأن القياسات تُؤخذ بشكل منفصل، فمن المستحيل معرفة كيفية ارتباط طي الجينوم، والعلامات الكيميائية، وإمكانية الوصول إلى قطعة واحدة من الحمض النووي بدقة في اللحظة ذاتها.

لقد نجح فريق من الباحثين في جامعة إنديانا الآن في سد هذه الفجوة بطريقة جديدة تسمى "Epi-PoreC". فمن خلال دمج ثلاث تقنيات راسخة في سير عمل واحد، ابتكروا وسيلة لالتقاط شكل الحالة الكيميائية وإمكانية وصول الجينوم، كل ذلك على جزيء واحد من الحمض النووي. تعتمد هذه الطريقة على تقنية تُعرف باسم "تسلسل النانو بوري" (nanopore sequencing)، والتي تقرأ الحمض النووي عن طريق سحب خيوط طويلة عبر مسام بروتينية ضئيلة وقياس كيفية تغير التيار الكهربائي أثناء مرور الجزيء. هذه التقنية قوية بما يكفي لقراءة مساحات طويلة جداً من الحمض النووي، مما يسمح للعلماء برؤية مدى بعد نقطتي تلامس عن بعضهما البعض، واكتشاف التعديلات الكيميائية في الطريق. اختبر الباحثون نهجهم الجديد على نوى نبات "أرابيدوبسيس ثاليانا" (Arabidopsis thaliana)، وهو نبات مزهر صغير يُستخدم على نطاق واسع في الأبحاث البيولوجية. حيث أخذوا أنسجة نباتية، وعزلوا نوى الخلايا، ثم أخضعوها لسلسلة من الخطوات الكيميائية المصممة لتجميد الحمض النووي في شكله ثلاثي الأبعاد الطبيعي، ووسم المناطق المفتوحة، وتجهيز الخيوط للقراءة.

تبدأ العملية بربط الحمض النووي عرضياً (crosslinking) لتثبيت بنيته المطوية في مكانها. ثم يقوم الباحثون بنفاذية النوى للسماح لإنزيم بالدخول وتحديد المناطق المتاحة من الجينوم بعلامة كيميائية محددة. هذه الخطوة، المستعارة من تقنية تسمى "Fiber-seq"، تحدد أي أجزاء من الحمض النووي مفتوحة ومتاحة للاستخدام. بعد هذا الوسم، يتم تقطيع الحمض النووي إلى قطع يمكن التعامل معها، ويتم لصق النهايات التي كانت متلامسة في الفضاء ثلاثي الأبعاد مرة أخرى، مما يخلق سجلاً مادياً لبنية الجينوم. تضمن هذه الخطوة، المعروفة باسم "التقاط تشكيل الكروموسومات" (chromosome conformation capture)، أن أي قطعتين من الحمض النووي كانتا قريبتين من بعضهما في النواة ستظلان متصلتين في العينة النهائية. بعد ذلك، يتم تغذية خيوط الحمض النووي الناتجة في جهاز تسلسل "النانو بوري". وبينما تمر الخيوط الطويلة عبر المسام، يقرأ الجهاز تسلسل الحروف ويكتشف في الوقت نفسه العلامات الكيميائية والوصلات حيث تم لصق قطع الحمض النووي معاً. ولأن العملية برمتها تحدث على جزيء واحد، يمكن للباحثين رؤية أي العلامات الكيميائية وأي الروابط الهيكلية تنتمي بالضبط إلى نفس قطعة الحمض النووي.

كانت نتائج هذا التكامل مذهلة. فعندما قارن الفريق الخرائط التي أنشأتها طريقتهم الجديدة بالخرائط التي أُنشئت عن طريق تشغيل التقنيات الثلاث بشكل منفصل، تطابقت البيانات بدقة ملحوطة. كانت أنماط كيفية طي الكروموسومات وتلامسها مع بعضها البعض مطابقة تقريباً لما لوحظ في التجارب القياسية، مما أظهر أن الخطوات الإضافية المطلوبة لوسم الحمض النووي لم تشوه الشكل الطبيعي للجينوم. وبالمثل، كانت الخرائط الكيميائية لإمكانية وصول الحمض النووي ومواقع التعديلات الكيميائية الطبيعية لا يمكن تمييزها عن تلك التي أنتجتها الطرق المستقلة. وجد الباحثون أن النهج الجديد يمكنه اكتشاف التفاعلات المعقدة، مثل تلك التي تحدث في المناطق المتكررة والكثيفة بالقرب من مراكز الكروموسومات، والتي غالباً ما يصعب دراستها بالتقنيات الأخرى. ورغم أن الطريقة الجديدة أنتجت قراءات أقصر قليلاً للحمض النووي مقارنة بالنسخة القياسية من تقنية رسم الخرائط الهيكلية، إلا أن الأطوال كانت لا تزال كافية للكشف عن أنماط الطي المعقدة للجينوم.

يبرهن هذا العمل على أنه من الممكن رؤية الجينوم كنظام موحد بدلاً من مجموعة من الأجزاء المنفصلة. فمن خلال التقاط الشكل، والحالة الكيميائية، وإمكانية الوصول إلى الحمض النووي جميعها في وقت واحد، توفر تقنية "Epi-PoreC" صورة أكثر اكتمالاً لكيفية عمل الجينوم. وتعد هذه الطريقة قيمة بشكل خاص لدراسة المناطق المعقدة أو المتكررة من الجينوم، حيث تكون القراءات الطويلة ضرورية للتمييز بين قسم وآخر. وأشار الباحثون إلى أنه بينما يعد هذا النهج فعالاً للغاية، فإن الخطوات الإنزيمية الإضافية تؤدي إلى انخفاض طفيف في طول خيوط الحمض النووي التي يمكن قراءتها، مما قد يحد من الدقة في المناطق الأكثر تحدياً. ومع ذلك، فإن القدرة على ربط البنية الفيزيائية للجينوم مباشرة بالمشهد الكيميائي على جزيء واحد تفتح آفاقاً جديدة لفهم كيفية تنظيم الجينات. وتسمح هذه الرؤية المتكاملة للعلماء بطرح أسئلة لم يكن من الممكن الإجابة عليها سابقاً، مثل كيف يؤثر طي حلقة معينة من الحمض النووي على العلامات الكيميائية الموجودة على تلك الحلقة نفسها، أو كيف تتغير إمكانية الوصول إلى منطقة ما عندما تتفاعل مع جزء بعيد من الكروموسوم. ومع استمرار تطور هذه التكنولوجيا، فإن هذا النوع من التحليل أحادي الجزيء يعد بتعميق فهمنا للآليات المعقدة التي تحرك الحياة.