مجال الارتباط الطوبولوجي

النطاق المرتبط طوبولوجيًا (TAD) هو منطقة جينومية ذاتية التفاعل، ما يعني أن تسلسلات الحمض النووي داخل النطاق المرتبط طوبولوجيًا تتفاعل مع بعضها البعض بشكل متكرر أكثر من تفاعلها مع التسلسلات خارجه. ^{[ 1 ]} يبلغ متوسط ​​حجم النطاق المرتبط طوبولوجيًا (TAD) 1000 كيلوبايت في البشر، و880 كيلوبايت في خلايا الفئران، و140 كيلوبايت في ذباب الفاكهة. ^{[ 2 ] [ 3 ]} تُحفظ الحدود على جانبي هذه النطاقات بين أنواع خلايا الثدييات المختلفة، وحتى بين الأنواع المختلفة ^{[ 2 ]} ، وهي غنية جدًا بعامل ربط CCCTC (CTCF) والكوهيسين . ^{[ 1 ]} بالإضافة إلى ذلك، تظهر بعض أنواع الجينات (مثل جينات الحمض النووي الريبوزي الناقل وجينات الصيانة الخلوية ) بالقرب من حدود النطاق المرتبط طوبولوجيًا (TAD) بشكل متكرر أكثر مما هو متوقع عشوائيًا. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

لا تزال وظائف نطاقات التفاعل الطوبولوجي (TADs) غير مفهومة تمامًا ومحل نقاش. تشير معظم الدراسات إلى أن نطاقات التفاعل الطوبولوجي تنظم التعبير الجيني عن طريق حصر تفاعل المحفز والمعزز في كل نطاق تفاعل طوبولوجي على حدة؛ ^{[ 6 ]} ومع ذلك، فقد فصلت دراسة حديثة بين تنظيم نطاقات التفاعل الطوبولوجي والتعبير الجيني. ^{[ 7 ]} وقد وُجد أن اضطراب حدود نطاقات التفاعل الطوبولوجي يرتبط بمجموعة واسعة من الأمراض، مثل السرطان ، ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} ومجموعة متنوعة من تشوهات الأطراف، مثل التصاق الأصابع ، ومتلازمة كوك ، ومتلازمة F، ^{[ 11 ]} وعدد من اضطرابات الدماغ، مثل نقص تنسج الجسم الثفني ، واعتلال المادة البيضاء المزيل للميالين الذي يظهر في مرحلة البلوغ . ^{[ 11 ]} علاوة على ذلك، كشفت الدراسات أن التفاعلات بين المحفزات والمعززات التي تمتد عبر نطاق تفاعل طوبولوجي واحد أو عدة نطاقات، أساسية للديناميكيات الدقيقة للتعبير الجيني. ^{[ 12 ]} تُسمى العناصر الجينومية التي تكمن وراء هذه التفاعلات عناصر الربط البعيدة (DTEs)، وقد ثبت أن هذه العناصر مهمة للتنشيط الدقيق لجينات Hox في المراحل المبكرة من تكوين الجنين في ذبابة الفاكهة ( Drosophila melanogaster ). ^{[ 12 ]}

إن الآليات الكامنة وراء تكوين نطاقات التفاعل الطوبولوجي (TADs) معقدة ولم تُفهم بالكامل بعد، على الرغم من ارتباط عدد من المركبات البروتينية وعناصر الحمض النووي بحدود هذه النطاقات. ومع ذلك، يصف نموذج القيد ونموذج بثق الحلقة تكوين نطاقات التفاعل الطوبولوجي بمساعدة بروتينات CTCF والكوهيسين. ^{[ 13 ]} علاوة على ذلك، اقتُرح أن صلابة حدود نطاقات التفاعل الطوبولوجي نفسها قد تُسبب عزل النطاق وتكوين نطاقات التفاعل الطوبولوجي. ^{[ 13 ]} يحتوي حد نطاق التفاعل الطوبولوجي النموذجي على مجموعة من مواقع CTCF التي قد تعمل بشكل تآزري لإنشاء منطقة ذات خصائص مميزة لألياف النيوكليوسوم التي تفصل بين نطاقي تفاعل طوبولوجي متجاورين. ^{[ 14 ]}

تُعرَّف نطاقات التفاعل الطوبولوجي (TADs) بأنها مناطق تتلامس فيها تسلسلات الحمض النووي (DNA) بشكل تفضيلي. وقد اكتُشفت هذه النطاقات عام 2012 باستخدام تقنيات التقاط بنية الكروموسوم، بما في ذلك تقنية Hi-C . ^{[ 4 ] [ 15 ] [ 5 ]} وقد ثبت وجودها في أنواع متعددة، ^{[ 16 ]} بما في ذلك ذباب الفاكهة ( دروسوفيلا )، ^{[ 17 ]} والفأر ، ^{[ 4 ]} والنباتات والفطريات والجينوم البشري . ^{[ 5 ]} وفي البكتيريا، تُعرف باسم نطاقات التفاعل الكروموسومي (CIDs). ^{[ 16 ]}

تُحدد مواقع نطاقات التفاعل الطوبولوجي (TADs) بتطبيق خوارزمية على بيانات Hi-C. على سبيل المثال، غالبًا ما تُسمى نطاقات التفاعل الطوبولوجي وفقًا لما يُسمى "مؤشر الاتجاهية". ^{[ 5 ]} يُحسب مؤشر الاتجاهية لكل خانة من خانات 40 كيلوبايت، وذلك بجمع القراءات التي تقع ضمن الخانة، وملاحظة ما إذا كانت قراءاتها المزدوجة تقع في اتجاه المنبع أو المصب من الخانة (يجب ألا يتجاوز طول أزواج القراءات 2 ميجابايت). تشير القيمة الموجبة إلى أن عدد أزواج القراءات الواقعة في اتجاه المصب أكبر من عددها في اتجاه المنبع، بينما تشير القيمة السالبة إلى العكس. رياضيًا، مؤشر الاتجاهية هو إحصائية مربع كاي مُوقّعة.

لقد مكننا تطوير متصفحات الجينوم المتخصصة وأدوات التصور ^{[ 18 ]} مثل Juicebox، ^{[ 19 ]} HiGlass ^{[ 20 ]} /HiPiler، ^{[ 21 ]} متصفح الجينوم ثلاثي الأبعاد، ^{[ 22 ]} 3DIV، ^{[ 23 ]} 3D-GNOME، ^{[ 24 ]} وTADKB ^{[ 25 ]} من تصور تنظيم TAD للمناطق ذات الأهمية في أنواع الخلايا المختلفة.

من المعروف أن عددًا من البروتينات يرتبط بتكوين نطاقات التفاعل الطوبولوجي (TAD)، بما في ذلك بروتين CTCF (عادةً ما توجد عدة مواقع ارتباط لـ CTCF عند حدود نطاق التفاعل الطوبولوجي) ^{[ 14 ]} ومركب بروتين الكوهيسين . ^{[ 1 ]} كما أنه من غير المعروف ما هي المكونات المطلوبة عند حدود نطاقات التفاعل الطوبولوجي؛ ومع ذلك، فقد ثبت في خلايا الثدييات أن هذه المناطق الحدودية تتميز بمستويات عالية نسبيًا من ارتباط CTCF. بالإضافة إلى ذلك، تظهر بعض أنواع الجينات (مثل جينات الحمض النووي الريبوزي الناقل وجينات الصيانة الخلوية ) بالقرب من حدود نطاقات التفاعل الطوبولوجي بشكل متكرر أكثر مما هو متوقع عشوائيًا. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

أظهرت المحاكاة الحاسوبية أن عملية بثق حلقات الكروماتين، التي تُحركها محركات الكوهيسين، قادرة على توليد نطاقات تفاعلية طوبولوجية (TADs). ^{[ 26 ] [ 27 ]} في نموذج بثق الحلقات، يرتبط الكوهيسين بالكروماتين، ويسحبه للداخل، ثم يبثقه لتكوين حلقة تدريجيًا. يستمر بثق الكروماتين على جانبي مُركب الكوهيسين حتى يصادف بروتين CTCF المرتبط بالكروماتين، والذي يقع عادةً عند حدود نطاق التفاعل الطوبولوجي الطوبولوجي. وبهذه الطريقة، يمكن تقريب حدود نطاقات التفاعل الطوبولوجي الطوبولوجي لتكوين حلقات الكروماتين. ^{[ 28 ]} في الواقع، لوحظ في المختبر أن الكوهيسين يبثق حلقات الحمض النووي بشكل متتابع بطريقة تعتمد على الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]} ويتوقف عند بروتين CTCF. ^{[ 32 ] [ 33 ]} مع ذلك، تشير بعض البيانات المختبرية إلى أن الحلقات المرصودة قد تكون ناتجة عن عوامل خارجية. ^{[ 34 ] [ 35 ]} من المهم الإشارة إلى أنه بما أن الكوهيسينات يمكن أن تنفصل ديناميكيًا عن الكروماتين، فإن هذا النموذج يشير إلى أن نطاقات التفاعل الطوبولوجي (وحلقات الكروماتين المرتبطة بها) هي هياكل ديناميكية وعابرة، ^{[ 26 ]} بما يتوافق مع الملاحظات الحية. ^{[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]}

وقد تم اقتراح آليات أخرى لتكوين نطاقات التفاعل الطوبولوجي (TADs). على سبيل المثال، تشير بعض المحاكاة إلى أن الالتفاف الفائق الناتج عن النسخ يمكن أن يعيد توطين الكوهيسين إلى حدود نطاقات التفاعل الطوبولوجي ^{[ 40 ] [ 41 ]} أو أن روابط الانزلاق للكوهيسين المنتشرة بشكل سلبي ^{[ 42 ] [ 43 ]} يمكن أن تولد نطاقات التفاعل الطوبولوجي.

يمكن أن يؤثر اضطراب حدود نطاقات التفاعل الطوبولوجي على التعبير الجيني للجينات المجاورة، وهذا قد يسبب المرض. ^{[ 50 ]}

على سبيل المثال، أُفيد أن المتغيرات البنيوية الجينومية التي تُخلّ بحدود نطاقات التفاعل الطوبولوجي (TAD) تُسبب اضطرابات نمائية مثل تشوهات الأطراف البشرية. ^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]} بالإضافة إلى ذلك، قدمت العديد من الدراسات أدلة على أن تعطيل أو إعادة ترتيب حدود نطاقات التفاعل الطوبولوجي (TAD) قد يُوفر مزايا نمو لبعض أنواع السرطان، مثل ابيضاض الدم الليمفاوي الحاد للخلايا التائية (T-ALL)، ^{[ 54 ]} والأورام الدبقية، ^{[ 55 ]} وسرطان الرئة. ^{[ 56 ]}

تُعدّ نطاقات LADs أجزاءً من الكروماتين تتفاعل بشكلٍ كبير مع الصفيحة النووية، وهي بنية شبكية تقع على الغشاء الداخلي للنواة . ^{[ 57 ]} تتكون نطاقات LADs في الغالب من كروماتين غير نشط نسخياً، غنيّ بـ Lys27 ثلاثي الميثيل على الهيستون H3 (أي H3K27me3 )، وهو تعديل شائع للهيستون بعد الترجمة في الكروماتين المغاير . ^{[ 58 ]} تحتوي نطاقات LADs على مواقع ارتباط CTCF على أطرافها. ^{[ 57 ]}

• حي معزول

• جوس بوكس
• هاي جلاس
• هاي بايلر
• متصفح الجينوم ثلاثي الأبعاد
• 3DIV
• 3D-GNOME
• TADKB