Elementul surpriză Understand article
Tradus de Mircea Băduţ. Studiile privind radio-carbonul ajută oamenii de ştiinţă să înţeleagă cum pot neuronii să rămână stabili şi să fie totodată adaptabili.
Pe 30 octombrie 1961, un nor cu forma de ciupercă, de peste șapte ori mai mare decât muntele Everest, s-a rostogolit peste cerul din Novaia Zemlia, un arhipelag în Marea Barents. A fost semnătura Bombei Ţarul, o bombă de 50 megatone lansată de Uniunea Sovietică, cea mai mare bomba atomică detonată vreodată. Unda sa de şoc a spart ferestrele clădirilor până la 900 km depărtare, însă impactul său politic a fost chiar şi mai mare, contribuind inclusiv la declanșarea unei interdicții internaționale privind testele supraterane cu bombe nucleare. Acum, la peste o jumătate de secol de atunci, oamenii de știință de la Laboratorul European de Biologie Moleculara (EMBL) din Heidelberg, Germania, găsesc un aspect pozitiv în acea eră întunecată a războiului rece: radio-carbonul – o componentă inofensiva descoperită în depunerile de pe sol de la acele teste – se dovedeşte o fereastră deschisă spre secretele funcţionării creierului uman.
Cercetătoarea Kyung-Min Noh, de la EMBL, şi colegii ei din SUA studiază comportamentul radio-carbonului pentru a înţelege modul în care neuronii noştri, celulele cu cea mai lungă durată de viaţă din corpurile noastre, rămân stabile și totuși suficient de flexibile pentru a ne îngădui să învățăm, să ne amintim și să gândim de-a lungul vieții. Cercetătorii speră că munca lor va oferi perspective noi în cunoaşterea defectelor de dezvoltare ale creierului, cum ar fi autismul, dar şi în privinţa afecţiunilor degenerative, cum ar fi boala Alzheimer.
Pentru imagine, mulţumim Laboratorului foto al EMBL / Marietta Schupp
Înregistrările radio-carbonului
Carbonul este elementul ce constituie „coloana vertebrală” a tuturor bio-moleculelor din organismele vii. Însă aproape tot carbonul din lume există în forma sa izotopică „obișnuită”, numită ‘carbon-12’. Radio-carbonul este un izotop puțin mai greu, ușor radioactiv, care apare în mod natural în cantităţi foarte mici. Între 1945 și 1963, testele cu detonări atomice supraterane au generat un surplus de radio-carbon artificial, cu mult peste nivelurile naturale din atmosferă. Acesta şi-a făcut astfel loc în lanțul alimentar din întreaga lume, ceea ce înseamnă că oamenii care au trăit în acea perioadă de timp au încorporat mai mult radiocarbon decât în mod normal. Odată ce nivelurile atmosferice au revenit la normal, corpurile acelor oameni au înlocuit treptat cea mai mare parte din radio-carbonul ingerat cu carbon regulat, ca efect al reînnoirii naturale a celulelor din organism.
Însă părți distincte ale corpului (ţesuturi) să reînnoiesc în perioade diferite, astfel încât oamenii de știință pot evalua care celulele sunt înlocuite și cât de des prin măsurarea cantității de radio-carbon din țesuturile oamenilor care au trăit în epoca testelor atomice. În urmă cu zece ani, o echipă de cercetători din Suedia și SUA a folosit această tehnică pentru a arăta că neuronii din anumite părţi ale creierului se reînnoiesc pe tot parcursul vieții, în timp ce alţii se opresc la naștere și sunt la fel de bătrâni ca persoana căreia îi aparțin. Acum Kyung-Min şi colegii ei au adaptat această abordare pentru a rezolva una dintre cele mai mari mistere ale neurobiologiei: cum de acești neuroni de durată rămân stabili dar totuşi adaptabili?
Descifrând secretele celulei
O parte a răspunsului se află în ADN-ul neuronilor. Acest ADN conţine gene care instruiesc neuronul să-şi confecţioneze mici mașini moleculare, numite proteine, care îl ajută să funcţioneze. Cu toate că mai toate celulele din corpul nostru conțin același set de gene, fiecare tip de celulă folosește un subset diferit al acestor gene pentru a-şi dezvolta funcția sa de specialitate. Aceasta înseamnă că celula trebuie să păstreze anumite gene active şi pe altele ca inactive.
O metodă prin care celulele fac acestă separare derivă din modul în care ADN-ul este ambalat în interiorul celulelor. În loc să plutească liber şi dezordonat, ADN-ul este înfășurat în jurul unor proteine numite histone, precum firul înfăşurat pe mai multe bobine mici. ADN-ul inactiv ajunge să fie înfăşurat mai strâns, în timp ce ADN-ul care conține genele active este mai slab înfăşurat, fiind astfel mai accesibil mașinii celulare de citire a genelor. O armată de alte proteine reglează histonele pentru a ajuta la reglarea activităţii genei. Kyung-Min a devenit primul om interesat în domeniul biologiei histonei în perioada doctoratului ei desfăşurat la Colegiul de Medicină ‘Albert Einstein’ din New York, Statele Unite ale Americii. În timp ce studia efectele accidentelor vasculare cerebrale în creierul de cobai, a descoperit o proteină care modifica histonele din neuronii deterioraţi de accidentul vascular cerebral. Apoi ea a început să investigheze ce se întâmplă cu histonele în celulele care şi-au încetat definitiv diviziunea, făcând din neuroni o alegere logică pentru studiu. Oamenii de ştiinţă ştiau deja că celulele în diviziune activă folosesc histonele regulate, sau „canonice”, pe când celulele care au fost întrerupte înainte de următoarea rundă de diviziune folosesc un alt tip de histone, cunoscut sub numele „variantă”. Însă ei cunoșteau puțin despre ce se întâmplă cu histonele din celulele care şi-au încetat definitiv divizarea.
Histonele variantă par a fi asociate cu regiunile active ale ADN-ului și astfel s-ar putea să aibă un rol specific în reglarea comportamentului genelor. Acest tip de control ar fi important în special pentru neuronii cu durată lungă de viață, care – pe lângă supraviețuirea la o viață de uzură şi de solicitări – trebuie şi să modifice activitatea genei într-un mod extrem de dinamic pentru a răspunde la mediul aflat în continuă schimbare. Pe durata cercetărilor post-doctorale de la Universitatea Rockefeller, Statele Unite ale Americii, Kyung-Min şi colegii ei au descoperit că neuronii care şi-au încetat diviziunea includ într-adevăr histone-variantă în ADN-ul lor. Dar pentru a înțelege cu adevărat de ce, a fost necesar ca ei să afle când şi cum se întâmplă aceasta: histonele variantă se infiltrează gradat, sau sunt adăugate dintr-o dată?
Datarea cu carbon
Pentru a rezolva această problemă la om, echipa a apelat (din nou) la radio-carbon. O tehnică cunoscută sub numele de spectrometrie de masă cu accelerator le-a permis să clarifice diferența dintre histonele-variantă care conțin carbon regulat și cele care conțin radio-carbon. Prin studierea de probe recoltate post-mortem de la oameni care au trăit în epoca testelor atomice, s-a descoperit că încorporarea histonelor variantă pare să aibă loc înainte de pubertate. „Nu este un proces gradual”, spune Kyung-Min. „O înlocuire masivă are loc în timpul fazei timpurii a dezvoltării umane, iar creierul menține acest status quo pe parcursul întregii durate de viață.”
Acest lucru sugerează că înlocuirea histonelor este un pas vital în dezvoltarea creierului copilului, care coincide cu perioada când au loc cele mai dinamice procesele de învățare ale creierului, explica ea. Mai mult, cercetări genetice recente au descoperit o serie de defecte ale genelor asociate cu dezvoltări anormale ale creierului, cum ar fi autismul sau dificultăţile de învăţare. Multe dintre aceste gene sunt implicate în biologia histonelor. „Aceste observații aduc cu sine câteva întrebări foarte importante. De exemplu, ce înseamnă cu adevărat această înlocuire a histonelor în timpul dezvoltării?”
De când s-a alăturat colectivului EMBL, în noiembrie 2014, Kyung-Min a abordat aceste probleme prin cultivarea de neuroni în laborator și prin efectuarea unei serii de experimente genetice asupra lor, pentru a afla cum lucrează histonele. Acest lucru este mai ușor de zis decât de făcut: una dintre provocările-cheie în domeniul biologiei neuronului este obţinerea în cantitate suficientă a tipul corect de celule pentru studiere. Așa că echipa Kyung-Min prelevează celule imature de la embrioni de șoarece şi le convinge să formeze neuroni adulţi într-un recipient Petri. În plus, ei se pregătesc să lucreze pe un tip de celulă cunoscut sub numele de celula umană iPS, pe care intenționează, de asemenea, să o transforme în neuroni. Aceste celule nu provin de la embrioni umani, ci din celule umane adulte care au fost readuse într-o stare mai juvenilă.
Efecte de editare
Pentru a modifica comportamentul histonelor din neuronii crescuţi în laborator, echipa coordonată de Kyung-Min se pregătește să folosească o tehnică nouă, numita CRISPRw1. Aceasta va permite cercetătorilor să „editeze” conținutul de gene din celulă prin introducerea de modificări în histonele neuronilor derivaţi-iPS. Aceste modificări, sau mutații, se vor baza pe modificări cunoscute ca jucând un rol concret în afecţiuni asociate dezvoltării creierului uman. Studiile iPS vor permite echipei să exploreze efectele acestor mutații asupra comportamentului neuronului.
„Deși lucrarea încă este în stadii incipiente, înţelegând cât mai multe despre histonele neuronale putem afla aspecte importante privind şi alte afecţiuni, inclusiv referitoare la bolile neuro-degenerative, cum ar fi boala Alzheimer”, spune Kyung-Min.
Medicamentele direcţionate spre maşinăria celulară pentru a modifica histonele sunt acum folosite la tratarea anumitor forme de cancer, precum limfomul cu celule T, iar studierea acestor medicamente aduce noi perspective asupra modului în care ţintirea histonelor poate afecta celula. O idee nou-apărută susţine că boala poate rezulta din faptul că ADN-ul nu este suficient de încolăcit în jurul histonelor corespunzătoare. „Dacă reuşim să descâlcim acest filament dezorganizat, celula va încearcă să găsească o cale de a-l rearanja în maniera ordonată, normală”, spune Kyung-Min. „Astfel că resetarea unei celule la starea ordonată, de sănătate, ar putea reprezenta o nouă abordare terapeutică.”
Recunoaşteri
Versiunea originală a acestui articol a apărut în numărul din primăvara 2015 al revistei EMBLetc, revista Laboratorului European de Biologie Moleculară.
Web References
- w1 – Aflaţi mai multe despre tehnica CRISPR de editare a genelor de la web-site-ul EMBL.
Institutions
Review
Acest fascinant articol povesteşte câteva evenimente istorice din cercetarea modernă din domeniul biologiei celulare, dar explorează totodată şi cariera unui tânăr cercetător. Pentru că se referă la utilizarea radio-izotopilor (de genul radio-carbonului) în bio-fizică şi în biologia moleculară, articolul poate fi utilizat ca bază de pornire pentru lecții de fizică avansată sau de biologie, sau chiar pentru o lecție de chimie de nivel intermediar.
Întrebări ajutătoare sau de extindere a discuţiilor:
- Ce sunt radio-izotopii şi cum pot fi ei folosiţi pentru cercetare?
- Descrieţi structura şi funcţia proteinelor de tip histonă din celulă.
- Care este legătura dintre ADN şi proteinele histonă?
Terry Myers, Academia Banbridge, Irlanda