Наши учени разгадаха движението на хромозомите

Екипът на Лабораторията по геномна стабилност, разработил новия метод

Миналата седмица дойде новината, че е публикувана статия в списание Nature Cell Biology на учени от Института по молекулярна биология „Акад. Румен Цанев“ към БАН. Автори на изследването са Румен Стаматов, Соня Узунова, Йоана Кичева, Мария Карабоева и Тавиан Благоев под ръководството на доц. Стойно Стойнов. Изследователският екип разработва нов метод, наречен FAST CHIMP (Facilitated Segmentation and Tracking of Chromosomes in Mitosis Pipeline). Благодарение на него може да се проследява движението на всички човешки хромозоми с 8-секундна резолюция – от началната фаза на митозата (профаза) до нейната крайна фаза (телофаза). С наличните досега технологии това не е било възможно. Изследването е още една голяма стъпка напред към разгадаването на триизмерната организация на генома в живи клетки – постижение с огромен потенциал за молекулярната биология, генетиката и медицината. За повече подробности се обърнахме към водещия автор Румен Стаматов.

Началото на проекта е преди пет години. Учени от Института по молекулярна биология „Акад. Румен Цанев“ към БАН решават да проучат как е организирана генетичната информация в клетката. Дотогава е известен фактът, че генетичната информация се съдържа в структури, наречени хромозоми. Това го знаят и седмокласниците в училище, тъй като е в учебната им програма. Но никой до този момент не е наблюдавал как хромозомите са разположени в пространството и как се движат една спрямо друга.

„А това е много важно, защото взаимното положение на тези хромозоми определя вероятността между тях да се случи транслокация – размяна на един участък с друг или ако от една хромозома се счупи в един участък и се залепи за друга – обяснява Румен Стаматов. – Това са много опасни събития, защото водят до онкогенеза – трансформация на клетката в ракова. Очевидно е, че когато две хромозоми са близки една до друга, вероятността за транслокация между тях е по-голяма. В научната литература съществуваше спор дали хромозомите по принцип имат някакво установено местоположение една спрямо друга, което се запазва с времето, или тяхното движение е съвсем случайно. Макар че никой дотогава не беше успявал да ги проследи, защото това е много трудно технически да се направи. Уточнявам – не е трудно да се направи една снимка примерно с микроскоп, която да е с добро качество. Но да проследим този процес във времето, това беше невъзможно. Защото, за да направим хубава снимка, трябваше да облъчваме клетките с лазер. А той е токсичен за тях – нарича се фототоксичност. И когато ги снимаме твърде много или с твърде силна светлина, умират или изсветляват – самата светлина от флуоресцентния белтък, който сме белязали, си отива.“

Екипът решава да експериментира с една невронна мрежа.

Невронните мрежи са алгоритми, на тях се базира изкуственият интелект. Те са подобие на тези в мозъка, послужили като вдъхновение за компютърните специалисти, които са ги измислили. Алгоритмите са много стари – създадени са отпреди 50 – 60 години. И чак в последно време стават популярни заради изчислителната мощ, която притежават. Преди шестдесет години са съществували само теоретично, хората не са могли да ги използват за нищо. Докато сега вече, когато има такива мощни компютри, тези невронни мрежи могат да се използват във всякакви области на живота.

Първото приложение, което учените намират на такава мрежа, е

да премахва шума от микроскопски изображения. Какво означава това? В случая под шум се разбира светлината, която не идва от клетката, а от различни източници – от камерата и други.

„И когато премахнем шума с такъв компютърен метод, можем вече да си позволим да снимаме с по-нисък лазер и същевременно клетката хем да оцелява с времето, хем да получаваме изображение с хубава резолюция – подчертава Румен Стаматов. – Това беше първият ни успех. Следващата стъпка беше да отделим сигнала на всяка хромозома от другите – това се нарича сегментация. Всички хромозоми при нас светят в един цвят. За да ги снимаме, закачаме един флуоресцентен белтък към друг белтък, който се намира в хромозомите. Резултатът е, че като облъчим клетката с лазер, виждаме всички хромозоми да светят, но в един цвят. А хромозомите са много – в човешките клетки са четиридесет и шест. И това, което искахме да направим, е да оцветим всяка от тях в отделен цвят. Тоест, да вземем целия този сигнал, който е хомогенен в един цвят, да прекараме сигнала през тези алгоритми, невронни мрежи и да получим всяка хромозома в отделен цвят. И това се казва сегментация, защото ги разделяме на сегменти. Иначе хромозомите са много близко в пространството и изглеждат буквално като залепени. Така че това е много труден за решаване математически проблем.“

Финалната стъпка е хромозомите да бъдат проследени с времето –

не само във всяка времева точка да се прави такава сегментация, а да се прави по една снимка на всеки няколко секунди, обяснява ученият. Така се получават много снимки – едно клетъчно делене продължава почти един час, а по време на експеримента се снима на всеки осем секунди. Получават се триста изображения, като всяка от тези хромозоми първо е сегментирана, после е оцветена в отделен цвят и след това се прави проследяване. Т.е. трябва да се види всяка хромозома от един кадър на коя хромозома от другия кадър съответства. Но преди да се прави проследяване, невронните мрежи трябва да се обучат. Проблемът при тези алгоритми е, че те не работят директно. Първо, трябва да се натрупат достатъчно данни, за да може да им се даде нужната информация за задачата, която трябва да изпълняват – това е т.нар. обучение на мрежата. И веднъж вече като са обучени с всички тези данни, те могат автоматично да изпълняват поставената им задача.

„Открихме доста интересни неща, когато направихме това – разказва Румен Стаматов. – Първото, което ни направи впечатление, беше, че

движението на хромозомите не е случайно – преди съществуваше такова течение в научната литературата.

Близки хромозоми в пространството си остават близки повечето пъти. Обаче има и изключения. Има случаи, когато се разделят. И всъщност движението много наподобява едни вихри (наричаме ги вортекси). Такива се получават в чашка с кафе, докато го разбъркваме. Същия процес наблюдавахме при хромозоми. Прочетохме в научната литература, че това всъщност е доста разпространен физически процес. Хората са го виждали при популации от бактерии, дори при клетки на растения, но не и при хромозоми. Ние за първи път го наблюдавахме при хромозоми. Виждали са го в цитоплазмата – материята, която се намира вътре в клетката извън ядрото. Ние показахме, че всъщност при хромозомите съществува същият процес. Даже успяхме да намерим причината за това. Има едни органели, които се казват центрозоми, и тяхното движение завихря цитоплазмата по този начин. А отделно вече цитоплазмата повлича със себе си хромозомите. Най-просто казано,

видяхме такъв процес на завихряне на цитоплазмата и на хромозомите, който не беше наблюдаван досега.

Това вече ни дава възможност директно да изследваме движението на тези хромозоми в живи клетки и да правим изводи кога една транслокация има по-голяма вероятност да се случи. Даже успяхме да изследваме движението на хромозоми, които са дефектни. Намерихме една клетка, при която имаше дефект в разделянето на двете сестрински хроматиди в така наречената анафаза. И след това проследихме назад във времето какво става с тези хромозоми, и видяхме всъщност откъде идва и каква е причината за дефекта.“

„Положителното при нас е, че може да изследваме динамично в живи клетки – подчертава Румен Стаматов. – Можем да наблюдаваме една клетка на всеки няколко секунди и след това да я оставим и тя да си живее. Нещо интересно, което направихме, е, че успяхме една клетка да я проследим по време на цялото делене. След това нейните дъщерни клетки ги снимахме със същия метод, за да сравним хромозомите между майчина и дъщерни клетки, което беше абсолютно непостижимо досега. Сравнението показва, че между майчините и дъщерните клетки хромозомите не са на същото място. Защото имаше статии преди, в които се твърдеше, че хромозомите винаги са на едно и също място.“

Учените от Института по молекулярна биология разполагат с модерна апаратура.

Микроскопите са свързани към компютър, където се запазват снимките. Всяка снимка всъщност е в триизмерното пространство – т.е. не става дума за една снимка, а са около сто снимки и всяка е на различна равнина. Равнините след това може да бъдат съчетани в голям триизмерен обект. Всички тези стотици снимки се правят за части от секундата, за да може след това на всеки осем секунди да се снима нов триизмерен обем.

Екипът вече се готви за следващия проект. Партньори от Дания им изпращат клетъчни линии с белтъци. Някои от белтъците, които участват в клетъчното делене, са дефектни. Учените искат да видят как влияе това на структурата на хромозомите и на тяхното движение.