החומר הגנטי, [[DNA]], הוא מולקולה ארוכה המאורגנת בגרעין התא ביחידות שונות, כך שבכל יחידה הוא מסביב לכדור של מבנה חלבוני, הקרוי נוקליאוזום. הנוקליאוזומים עצמם מאורגנים במבנה מסודר שמכסה את כל ה[[כרומוזום]]. מה קובע כיצד, מתי, ובאיזה מקום לאורך ה-DNA ייווצרו ויתמקמו נוקליאוזומים?
ד"ר ערן סגל ותלמיד המחקר יאיר פילד מהמחלקה למדעי המחשב ומתמטיקה שימושית במכון ויצמן למדע, הצליחו, יחד עם שותפיהם למחקר מאוניברסיטת נורת'-ווסטרן שבשיקגו, לפענח צופן, המקודד ברצף הבסיסים של ה-DNA, שקובע את החוקים שלפיהם יתמקמו הנוקליאוזומים לאורך ה-DNA. ממצאי מחקרם מתפרסמים היום בכתב העת המדעי Nature.
למיקום המדויק שבו נמצאים הנוקליאוזומים נודעת חשיבות רבה, מכיוון שהמקטע הגנטי שמלופף מסביב לנוקליאוזום אינו נגיש לחלבונים רבים, ובהם גם גורמים שונים האחראים לכמה מתהליכי החיים הבסיסיים ביותר, כולל שכפול, שיעתוק, ותיקון ה-DNA. משמעות הדבר היא שבמקטע הנוקליאוזום לא יכול להתחיל, למשל, תהליך של התבטאות גנטית, כך שלמעשה מיקום הנוקליאוזומים מגדיר ומגביל את האיזורים שבהם יכולים להתחולל התהליכים הבסיסיים ביותר. מדובר בהגבלה משמעותית, מכיוון שרוב ה-DNA מלופף מסביב לנוקליאוזומים: הלולאה הגנטית של הנוקליאוזום כוללת כ-150 בסיסים גנטיים (ה"אותיות" שמרכיבות את הרצף הגנטי), ואילו בין נוקליאוזום לנוקליאוזום מצוי איזור גנטי חופשי (שבו יכול להתחיל, למשל, תהליך השיעתוק), באורך של כ-20 בסיסים בלבד.
במשך שנים רבות התקיים דיון בקהילה המדעית בשאלה האם המיקומים של הנוקליאוזומים לאורך ה-DNA נקבעים, או לא נקבעים, על-ידי הרצף הגנטי עצמו. ד"ר סגל וחברי קבוצת המחקר שלו הצליחו להוכיח שהרצף הגנטי אכן כולל צופן המורה ל-DNA היכן להתארגן בנוקליאוזומים. הם גם פיענחו את הצופן הזה בתאי שמרים, והצליחו לחזות בדיוק רב, תוך שימוש ברצף ה-DNA בלבד, מקומות שבהם החומר הגנטי יהיה ארוז בנוקליאוזומים.
ד"ר סגל ושותפיו למחקר מדדו כ-200 מקומות לאורך ה-DNA שבהם נמצאים נוקליאוזומים, ושאלו האם ל-200 הרצפים הללו יש מאפיינים דומים. באמצעות ניתוח הסתברותי של 200 הרצפים, הם אכן מצאו שמקטעים גנטיים אלה מתאפיינים בתכונות משותפות רבות, ובכך גילו ופיענחו צופן שקובע היכן יתמקמו נוקליאוזומים. הצופן עצמו מתבטא בקיומה של "מלת צופן" גנטית מסוימת, החוזרת על עצמה מדי 10 בסיסים על הרצף הגנטי, והמשפיעה על היכולת של ה-DNA להתקפל למבנה כדורי, כפי שנדרש מ-DNA המתלפף כדי ליצור נוקליאוזום. ככל שמופיעות יותר "מילות צופן" כאלה, כך גדל הסיכוי שבאותו מקום ה-DNA יתקפל וייווצר נוקליאוזום.
כדי לפענח את הצופן הזה בנו המדענים מודלים הסתברותיים שאיפיינו סדרות של רצפים גנטיים בעלי יכולת להתקפל וליצור את לולאות הנוקליאוזומים. לאחר מכן פיתחו [[אלגוריתם]] (מתכון חישובי) שמסוגל לעבד את המידע הגלום ברצף הגנטי של כרומוזום שלם, ולנבא באיזה מקומות, לאורכו, ייווצרו ויתמקמו נוקליאוזומים. ניבויים אלה הצליחו לחזות, במידת דיוק טובה, את מיקומם של נוקליאוזומים במערכת חיה, בתאי שמרים.
הבסיס להבנת מחלות רבות בעתיד
תוצאות המחקר הראו גם שלאורך ה[[אבולוציה]], תאי השמרים למדו לנצל את הצופן הנוקליאוזומי כדי לסייע לעצמם בתהליכים בסיסיים רבים. למשל, אחת מהתעלומות הגדולות בביולוגיה מולקולרית, היא כיצד תאים מצליחים לכוון את גורמי השיעתוק דווקא לאתרים מסוימים על ה-DNA, שאליהם חשוב שהם ייקשרו, ולא לאתרים אחרים, בעלי התאמה מבנית זהה, שמופיעים באופן מקרי במקומות רבים לאורך ה-DNA. התעלומה נעוצה בעובדה שאתרי הקישור הללו הם קצרים, מופיעים במקומות רבים על הכרומוזום, ואינם מכילים מידע על מידת החשיבות של האתר. המדענים הראו שהמידע החיוני על חשיבות האתר מקודד, לפחות באופן חלקי, בצופן שאותו מצאו: האתרים החשובים נמצאים במקטעים גנטיים חופשיים מנוקליאוזומים, עובדה שמאפשרת גישה לגורמי השיעתוק השונים. לעומת זאת, האתרים המקריים שמתאפיינים בהתאמה מבנית זהה (ולכן עלולים להטעות את גורמי השיעתוק), ממוקמים במקטעים שבהם נוצרים וממוקמים נוקליאוזומים, ולכן הם אינם נגישים לגורמי השיעתוק.
מכיוון שהחלבונים שמרכיבים את הנוקליאוזומים הם מהשמורים ביותר באבולוציה, המדענים משערים שהצופן שהתגלה שמור אף הוא, בבעלי-חיים רבים נוספים, לרבות בני-אדם. מחלות רבות, לרבות סרטן, מלווות, ואף נגרמות כתוצאה משינויים (מוטציות) בלתי רצויים בארגון של ה-DNA בכרומוזומים. תהליכים אלה עשויים להיות מושפעים מהנגישות של ה-DNA לגורמי השיכפול והשיעתוק, ומארגונו של החומר הגנטי בנוקליאוזומים. לפיכך סבורים המדענים כי הצופן שגילו עשוי לסייע בעתיד גם בהבנת המנגנונים שגורמים למחלות רבות.