DNA: Επιγενετικός επαναπρογραμματισμός στα γεννητικά κύτταρα

Στα κύτταρά μας, το DNA δεν φέρει μόνο τις γενετικές οδηγίες αλλά και χημικά «επιγενετικά» σημάδια που καθορίζουν πώς θα χρησιμοποιηθούν τα γονίδια σε διαφορετικούς ιστούς. Στα γεννητικά κύτταρα – εκείνα που αργότερα θα σχηματίσουν σπερματοζωάρια και ωάρια – αυτά τα επιγενετικά σήματα πρέπει να διαγραφούν ή να αναδιαταχθούν. Η διαδικασία αυτή, γνωστή ως επιγενετικός επαναπρογραμματισμός, προετοιμάζει τα κύτταρα για τη μείωση, τη διαίρεση που μειώνει στο μισό το γενετικό υλικό ώστε το γονιμοποιημένο ωάριο να έχει τον σωστό αριθμό χρωμοσωμάτων.

Ο Δρ Tien-Chi Huang, από την ομάδα Επαναπρογραμματισμού και Χρωματίνης στο LMS, σημειώνει ότι ενώ γνωρίζουμε πολλά για το ποια γονίδια ενεργοποιούνται ή απενεργοποιούνται σε αυτή τη διαδικασία, λίγα είναι γνωστά για το πώς αναδιατάσσεται τρισδιάστατα το γονιδίωμα πριν τη μείωση.

Ανακάλυψη μιας μοναδικής γενετικής δομής

Μελετώντας γεννητικά κύτταρα ποντικού, η ομάδα διαπίστωσε ότι περίπου 14,5 ημέρες μετά τη γονιμοποίηση τα κεντρομερή – περιοχές των χρωμοσωμάτων που είναι κρίσιμες για τη διαίρεση – προσκολλώνται στην περιφέρεια του πυρήνα. Το ίδιο φαινόμενο παρατηρήθηκε και σε πρώιμα ανθρώπινα γεννητικά κύτταρα, περίπου στις 14 εβδομάδες μετά τη σύλληψη.

Η ανάλυση Hi-C, μια τεχνική που μελετά τη διαμόρφωση του DNA σε τρεις διαστάσεις, αποκάλυψε ότι σε αυτό το στάδιο η τρισδιάστατη οργάνωση του γονιδιώματος γίνεται λιγότερο δομημένη, ενώ τα χρωμοσώματα απομακρύνονται περισσότερο μεταξύ τους. Αυτός ο αναπρογραμματισμός φαίνεται να είναι κρίσιμος για την επιτυχή εκτέλεση της μείωσης.

Προκλήσεις στη γαμετογένεση in vitro

Η δημιουργία σπερματοζωαρίων και ωαρίων στο εργαστήριο, γνωστή ως γαμετογένεση in vitro, αποτελεί μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στην αναπαραγωγική βιολογία. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν αρχέγονα κύτταρα που μιμούνται τα πρώιμα γεννητικά κύτταρα (PGCLCs) για να μελετήσουν τη διαδικασία, αλλά συχνά αποτυγχάνουν να ολοκληρώσουν όλα τα στάδια της μείωσης.

Η ομάδα διαπίστωσε ότι τα PGCLCs δεν εμφάνιζαν την ίδια μετακίνηση των κεντρομερών προς την περιφέρεια του πυρήνα όπως τα κύτταρα από έμβρυα. Αυτό υποδηλώνει ότι η συγκεκριμένη δομική αλλαγή είναι απαραίτητη για τη σωστή εξέλιξη της μείωσης, κάτι που εξηγεί γιατί η γαμετογένεση in vitro είναι τόσο δύσκολη να αναπαραχθεί.

Επιπτώσεις για την υπογονιμότητα

Η κατανόηση αυτής της δομής ανοίγει νέους δρόμους για την ανάπτυξη λειτουργικών σπερματοζωαρίων και ωαρίων εκτός σώματος. Η πρόοδος σε αυτόν τον τομέα μπορεί να οδηγήσει σε θεραπείες για ζευγάρια με προβλήματα υπογονιμότητας και να προσφέρει ευκαιρίες σε ομόφυλα ζευγάρια να αποκτήσουν γενετικά συγγενή παιδιά.

Η καθηγήτρια Petra Hajkova, κύρια συγγραφέας της μελέτης, επισημαίνει ότι η ανακάλυψη μιας άγνωστης μέχρι τώρα αναδιάρθρωσης του γονιδιώματος θα τροποποιήσει τις τρέχουσες γνώσεις και θα είναι καθοριστική για τις προσπάθειες αναδημιουργίας της μείωσης in vitro.

Η σημασία της τρισδιάστατης αρχιτεκτονικής του DNA

Τα ευρήματα υπογραμμίζουν τη σημασία της τρισδιάστατης δομής του DNA στη ρύθμιση της γονιμοποίησης και της αναπαραγωγής. Η αναδιάταξη των χρωμοσωμάτων φαίνεται να είναι βασική για την επιτυχή ανάπτυξη των γαμετών, και η μελέτη προσφέρει ένα νέο πλαίσιο για την αντιμετώπιση των τεχνικών προκλήσεων που συναντώνται στην εργαστηριακή παραγωγή σπερματοζωαρίων και ωαρίων.

Η μελέτη αυτή χρηματοδοτήθηκε από το Συμβούλιο Ιατρικής Έρευνας, το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας, την Ακαδημία Ιατρικών Επιστημών και το Βρετανικό Τμήμα Επιχειρήσεων, Ενέργειας και Βιομηχανικής Στρατηγικής, ενώ αποτελεί προϊόν συνεργασίας μεταξύ τριών ομάδων στο LMS, με σημαντική συνεισφορά από τους Juanma Vaquerizas και Mikhail Spivakov.

Η κατανόηση του τρόπου που αναδιατάσσονται τα γονίδια και τα χρωμοσώματα σε τρισδιάστατο επίπεδο στα γεννητικά κύτταρα ανοίγει νέους δρόμους για την ανάπτυξη θεραπειών υπογονιμότητας και για μελλοντικές εφαρμογές στη γαμετογένεση in vitro. Η ανακάλυψη αυτή φέρνει την επιστημονική κοινότητα πιο κοντά στην κατανόηση της πολύπλοκης διαδικασίας της δημιουργίας νέας ζωής και στην ανάπτυξη πρακτικών μεθόδων για την υποστήριξη ζευγαριών που αντιμετωπίζουν αναπαραγωγικές δυσκολίες.