באמצעות טכנולוגיה חדשה הנקראת "מפות אפיסטאזיס דיפרנציאליות", צוות בינלאומי של מדענים, בראשות חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה, בית הספר לרפואה בסן דייגו, תיעד לראשונה כיצד רשת גנטית סלולרית חווטת את עצמה מחדש לחלוטין בתגובה ללחץ על ידי גורמים מזיקי DNA.
המחקר - שיתפרסם בגיליון 3 בדצמבר של Science - הוא משמעותי מכיוון שהוא מייצג קפיצת מדרגה טכנולוגית גדולה מהרכבת רשימות של גנים באורגניזם לתיאור ממשי כיצד הגנים הללו פועלים יחדיו באופן פעיל.
"התנהגות התא היא דינמית, אבל הרשתות הגנטיות השולטות בהתנהגויות אלה נחקרו בעיקר רק בתנאי מעבדה נורמליים ושפירים", אמר טריי אידיקר, דוקטורט, פרופסור לרפואה וביו-הנדסה, וראש החטיבה לגנטיקה רפואית ב-UCSD בית הספר לרפואה. "עבודה זו היא אבן הדרך הבאה. היא מראה שאנו יכולים למפות כיצד רשתות גנטיות בתאים מתוכנתות מחדש בתגובה לגירויים, ובכך לחשוף קשרים תפקודיים שלא יזוהו באמצעות גישות אחרות".
תחשוב על זה בתור ההבדל בערך האינפורמטיבי של צילום לעומת סרטון. בתמונה, הפרטים והנתונים מוגבלים למה שנכלל ברגע אחד שנלכד. אין דרך לקבוע בדיוק מה התרחש לפני או אחרי, או איך השתנו השחקנים בתמונה. בסרטון, לעומת זאת, ניתן לתעד, לזהות וללמוד רצפים שלמים של אירועים - תהליכים ותגובות דינמיות, אינטראקציות ויחסים.
"מחקר זה הוא הראשון מסוגו", אמר מחבר שותף נבן קרוגן, פרופסור חבר לפרמקולוגיה תאית ומולקולרית באוניברסיטת קליפורניה בסן פרנסיסקו. אידקר, שהוא גם חוקר ראשי של המשאב הלאומי החדש לביולוגיה ברשת, המבוסס באוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו, כינה את זה "שינוי פרדיגמה".
אפיסטאזיס מתייחס לאינטראקציה של גנים ולאופן שבו הם מדכאים, מגבירים או משנים את התפקודים של זה. כדי ליצור מפת אפיסטאזיס דיפרנציאלית, החוקרים התמקדו בכ-400 גנים שמנהלים את מסלולי האיתות בתא שמרים. לאחר מכן הם יצרו 80,000 שורות תאים כפולות מוטציות שבהן כל קו נושא מוטציות בזוג אחר של 400 הגנים. כאשר תאים עם מוטציה כפולה גדלים הרבה יותר לאט או מהר מהצפוי, אומרים שהגנים המוטנטים הללו מקיימים אינטראקציה.
כדי ליצור את המפה הדיפרנציאלית, זוהו אינטראקציות הן לפני ואחרי החשיפה לתרכובת מזיקה ל-DNA בדומה לתרופות המשמשות בכימותרפיה. לאחר מכן הורעו שתי הרשתות הללו, אחת מהשנייה, כדי לחשוף הבדלים. למרבה הפלא, חוקרים גילו שרוב האינטראקציות שזוהו עם התרופה לא היו קיימות בלעדיה, ולהיפך. במילים אחרות, הרשת הגנטית תוכננה מחדש לחלוטין על ידי נזק ל-DNA.
ככל שהחוקרים מתקדמים במיפוי הרשתות הללו, האופי הדינמי שלהן מאיר עיניים ומדכא כאחד, אמר אידקר. מדענים קיוו שרשתות סלולריות לא ישתנו מאוד בתנאים שונים או מתא לתא. העובדה שהם עושים זאת מעידה על אתגרים ומורכבויות גדולות יותר.
"כשאנחנו מחפשים להרחיב את הגישה הזו למערכות יונקים ובסופו של דבר לתאים אנושיים, יתעוררו אתגרים חדשים - היכולת לשלוט באופן סלקטיבי בהרכב הגנטי של תאים, היתירות בגנים, גורמי שעתוק ומולקולות אחרות שהופכות מערכות מתקדמות יותר חזקות יותר., אבל גם יותר מסובך ללימוד", אמר דיוויד בלשו, קצין התוכנית של המכון הלאומי למדעי הבריאות הסביבתית, שמימן את המחקר.
אידקר הסכים שיש עוד הרבה עבודה לעשות. "פרויקט הגנום האנושי זיהה 30,000 גנים וגרסאות הרצף שלהם על פני פרטים שונים. עם זאת, הוא משאיר ללא תשובה לחלוטין כיצד הגנים השונים הללו מקיימים אינטראקציה כדי ליצור את המכונות המולקולריות שמנהלות את התא ומנהלות את התגובות השונות שלו. כעת יש לנו את החלקים רשימה, אבל אנחנו צריכים גם להבין את הרשת המחברת את כל החלקים האלה, וכיצד לתקן את זה במהלך מחלה."
