HRVATSKI znanstvenici i njihovi međunarodni suradnici otkrili su fizički princip koji objašnjava kako se sustav stanične diobe prilagođava velikim razlikama u količini DNA, kako među različitim vrstama organizama tako i među stanicama s različitim brojem skupova kromosoma, uključujući tumorske stanice s povećanom količinom genetskog materijala.

Pokazali su da kromosomi svojim međusobnim potiskivanjem pomažu oblikovati sustav koji ih razdvaja. Drugim riječima, genetski materijal nije samo teret koji stanica mora rasporediti - on sudjeluje u oblikovanju svojeg prijevoznog sredstva.

Otkriće pomaže objasniti kako su organizmi tijekom evolucije mogli podnijeti velika povećanja genoma, ali i kako se tumorske stanice nose s dodatnim genetskim materijalom.

Istraživanje, provedeno u sklopu projekta ANEUPLOIDY koji je financiralo Europsko istraživačko vijeće (ERC), objavljeno je 9. listopada u prestižnom časopisu Nature Cell Biology. ERC-ove grantove često nazivaju "znanstvenim Oscarima" zbog njihova prestiža i izrazito zahtjevnog odabira, kojim se financiraju najambicioznija istraživanja. Među vodećim autorima novog rada su Iva Tolić s Instituta Ruđer Bošković i Nenad Pavin sa zagrebačkog PMF-a, dok prve autorske pozicije dijele Lovro Gudlin, Kruno Vukušić i Maja Novak.

Kako stanica dijeli svoju genetsku prtljagu

Prije nego što se podijeli, stanica mora kopirati DNA, molekulu koja nosi genetske upute. Te kopije zatim mora pravilno rasporediti kako bi obje stanice kćeri dobile odgovarajući skup kromosoma. Svaki kromosom sadrži dio genoma, odnosno ukupnog genetskog materijala stanice.

Taj posao obavlja diobeno vreteno, privremena struktura sastavljena ponajprije od mikrotubula, sitnih proteinskih cjevčica. Mikrotubuli se pričvršćuju za udvostručene kromosome i razmiču njihove kopije prema suprotnim krajevima stanice, kako bi svaka buduća stanica kći, nakon podjele, dobila po jednu kopiju svakog kromosoma.

Pogreške u toj raspodjeli mogu dovesti do tzv. aneuploidije, stanja u kojem stanica ima višak ili manjak pojedinih kromosoma. Takve promjene povezane su s razvojnim poremećajima i rakom.

No tu postoji i jedno temeljnije pitanje: kako isti osnovni sustav radi kod organizama s vrlo različitim količinama DNA?

Među eukariotima, organizmima čije stanice imaju jezgru, veličina genoma - između najmanjeg i najvećeg - razlikuje se više od 10.000 puta. U tu golemu skupinu ubrajaju se životinje, biljke, gljive i brojni jednostanični organizmi.

Više DNA ne znači razmjerno veći "stroj"

Istraživači su u novoj studiji usporedili podatke za 25 evolucijski udaljenih vrsta. Koristili su objavljena mjerenja i snimke na kojima su mjerili dimenzije diobenog vretena i rasporeda kromosoma.

Najjasniju vezu s količinom DNA pronašli su u širini tzv. metafazne ploče. To je prostor u središtu vretena u kojem se kromosomi poredaju prije razdvajanja.

Ta širina raste približno s kubnim korijenom veličine genoma. Primjerice, tisuću puta veći genom odgovara približno deset puta većoj širini metafazne ploče. Prema istraživanju, važniji je ukupni volumen kromosomskog materijala nego broj kromosoma na koje je raspoređen. To možemo lakše razumjeti ako zamislimo kocku: kada joj svaku stranicu povećamo deset puta, njezin volumen naraste tisuću puta.

"Stanica dodatnu DNA ne rješava tako da jednostavno proporcionalno poveća cijeli sustav. Najjasnije se mijenja prostor u kojem su kromosomi organizirani", rekao je Gudlin u priopćenju o istraživanju.

Kromosomi nisu pasivni putnici

Za razumijevanje otkrića možemo zamisliti putnike u prepunom vagonu. Što su korpulentniji, odnosno što više prostora zauzimaju, to se više međusobno pritišću. No stanični "vagon" ima jednu važnu osobinu: njegova struktura može se prilagođavati veličini genetskog materijala.

Prema novom istraživanju, zbijeni kromosomi stvaraju međusobne sile potiskivanja koje pridonose širenju prostora u kojem su raspoređeni. Diobeno vreteno stoga nije kruti okvir u koji se genetski materijal mora nekako ugurati.

Tolić ističe da to pitanje nije bilo moguće riješiti unutar granica jedne discipline.

"Biologija nam je pokazala ponašanje kromosoma u živoj stanici, napredna mikroskopija omogućila nam je da njihovu dinamiku precizno pratimo, a fizika i matematika dale su nam način da iz pojedinačnih opažanja izvučemo opći princip", tumači.

Teoriju su iskušali pritiskanjem stanica

Uočiti povezanost nije dovoljno da bi se objasnio njezin uzrok. Zato je tim razvio fizički i matematički model koji predviđa ponašanje sustava ako su sile među kromosomima doista ključne. Potom su predviđanja provjerili pokusima na živim stanicama, među ostalim njihovom mehaničkom kompresijom.

Pavin kaže da je važnost fizičkog modela u tome što daje predviđanje koje eksperiment može potvrditi ili odbaciti. "Eksperimenti su pokazali upravo odgovor koji je model predvidio. Time smo od opažene povezanosti došli do konkretnog mehaničkog objašnjenja", dodaje.

Tim je mijenjao i količinu kromosomskog materijala, djelovanje mikrotubula te osmotske uvjete koji utječu na kretanje vode i volumen stanice. Pokusi su pokazali da duljinu i širinu vretena ne moraju određivati isti mehanizmi.

Što su znanstvenici znali prije

Novo otkriće nadovezuje se na ranije pokušaje razumijevanja veličine diobenog vretena.

Ana Dinarina i suradnici još su 2009. u časopisu Cell pokazali da raspored kromatina, materijala koji čine DNA i pridruženi proteini, utječe na oblik vretena. U pokusima sa staničnim ekstraktima žabe mijenjali su veličinu i oblik površina prekrivenih kromatinom.

Matthew Good i suradnici 2013. su u časopisu Science pokazali da veličinu vretena može regulirati količina okolnog staničnog materijala, odnosno citoplazme. U manjim umjetnim odjeljcima nalik stanicama nastajala su manja vretena.

Novo istraživanje proširilo je tu sliku objašnjenjem prilagodbe staničnog vretena različitim količinama DNA.

Zašto je to važno za evoluciju i rak?

Tijekom evolucije genom se više puta udvostručavao. Takva promjena stanici odjednom donosi mnogo više materijala koji mora rasporediti. Mehanička prilagodljivost vretena mogla je olakšati preživljavanje takvih promjena, uključujući one povezane s nastankom novih vrsta.

Slična fleksibilnost može pomoći i tumorskim stanicama da podnesu povećanu količinu DNA. No ona ima granice. Previše kromosomskog materijala u ograničenom prostoru može povećati mehaničko opterećenje i rizik pogrešne raspodjele.

Autori zato otvaraju mogućnost da bi dodatno povećanje kromosomske nestabilnosti moglo ugroziti tumorske stanice s povećanim genomima. To je zanimljiv smjer za buduća istraživanja koja bi eventualno u konačnici mogla dovesti do terapija za liječenje raka.

Šest godina suradnje

Rad je nastao u okviru projekta ANEUPLOIDY, prvog ERC Synergy projekta dodijeljenog Ivi Tolić te istraživačima i institucijama iz Hrvatske. Financiran je s gotovo 10 milijuna eura, a trajao je od travnja 2020. do kraja ožujka 2026.

Uz Tolić i Pavina, među izvornim glavnim istraživačima bili su Geert Kops iz nizozemskog instituta Hubrecht i Angelika Amon s američkog MIT-a.

Pri dodjeli financiranja 2019. Tolić je rekla: "ERC nam je omogućio da oformimo snažan tim i tako postignemo sinergiju komplementarnih vrsta stručnosti koje je vrlo teško kombinirati u jednom laboratoriju".

Ta je suradnja ponudila više vrijednih uvida u funkcioniranje diobe stanica koji su bili predstavljeni u vrhunskim časopisima. Sada je konačno našla i objašnjenje kako se iza velike biološke raznolikosti može skrivati jednostavan fizički princip.

"Prvi takav projekt završen u Hrvatskoj"

Tolić kaže da iza ovih rezultata stoji šestogodišnji projekt vrijedan 10 milijuna eura, koji je Europsko istraživačko vijeće financiralo kroz program Sinergija.

"To je prvi takav projekt završen u Hrvatskoj. Na projektu smo zaposlili 15 mladih istraživača, znanstvenog osoblja i administratora te objavili 33 rada u vrhunskim svjetskim časopisima, s važnim ulogama hrvatskih autora. Pokazali smo da je u Hrvatskoj moguće raditi znanost na svjetskoj razini. Sada treba uspostaviti sustav koji bi osigurao kontinuitet takvih projekata i rada uspješnih istraživačkih grupa", poručuje naša znanstvenica.