Istraživanje hrvatskog tima, objavljeno u prestižnom časopisu Nature Cell Biology, otkrilo je univerzalni mehanizam kojim se stanice prilagođavaju različitim količinama genetskog materijala. Otkriće bi moglo pomoći u boljem razumijevanju evolucije, pogrešaka u raspodjeli kromosoma i mehanizama koji omogućuju preživljavanje tumorskih stanica. Riječ je o znanstvenom vrhuncu prvog ERC Synergy projekta dodijeljenog istraživačima i institucijama iz Hrvatske, vrijednog 10 milijuna eura.

Diobeno vreteno

Kako stanica uspijeva pravilno podijeliti genetski materijal kada se količina DNA među organizmima može razlikovati i više od 10.000 puta? Odgovor je pronašao međunarodni tim predvođen akademkinjom Ivom Tolić s Instituta Ruđer Bošković (IRB) i profesorom Nenadom Pavinom s Prirodoslovno-matematičkog fakulteta Sveučilišta u Zagrebu (PMF). Usporedbom 25 evolucijski udaljenih vrsta istraživači su otkrili da se s povećanjem količine DNA širi i prostor u kojem su kromosomi organizirani prije razdvajanja u dvije nove stanice.

Rezultati, objavljeni u časopisu Nature Cell Biology, predstavljaju završnicu šestogodišnjeg projekta ANEUPLOIDY, financiranog s 10 milijuna eura iz programa Synergy Europskog istraživačkog vijeća (ERC). Uz hrvatske istraživače, sudjelovali su znanstvenici s Instituta Hubrecht u Nizozemskoj i američkog Massachusetts Institute of Technologyja (MIT).

Svaka stanica koja se dijeli mora kopirani genetski materijal rasporediti tako da obje novonastale stanice dobiju odgovarajući skup kromosoma. Taj zadatak obavlja diobeno vreteno, struktura koja organizira kromosome i omogućuje njihovo razdvajanje. Premda se količina DNA tijekom evolucije znatno mijenjala, osnovni mehanizam stanične diobe ostao je očuvan. Dosad nije bilo jasno kako se prilagođava tako velikim razlikama u količini genetskog materijala.

Uspoređujući 25 vrsta, od jednostavnih eukariota do biljaka i životinja, znanstvenici su ustanovili da je za prilagodbu ključna ukupna količina kromosomskog materijala, a ne samo broj kromosoma. Što stanica ima više DNA, to se povećava prostor u kojem su kromosomi raspoređeni prije razdvajanja. Pritom kromosomi svojim međudjelovanjem utječu na oblik i dimenzije sustava koji ih raspoređuje. Drugim riječima, materijal koji treba razdvojiti istodobno pomaže oblikovati strukturu zaduženu za taj posao.

– Ovo 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, objasnila je Iva Tolić.

Otkriveni obrazac

Kako bi provjerili otkriveni obrazac, istraživači su razvili fizički i matematički model koji je predvidio kako bi se diobeno vreteno trebalo ponašati ako sile među kromosomima određuju njegovu prilagodbu. Predviđanja su zatim provjerili eksperimentima na živim stanicama, uključujući njihovu mehaničku kompresiju.

– Vrijednost fizičkog modela je 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, rekao je Nenad Pavin.

Istraživači su mijenjali i količinu DNA unutar usporedivih stanica te ispitivali utjecaj mikrotubula, osmotskih uvjeta i mehaničkog opterećenja. Pokazalo se da duljinu i širinu diobenog vretena ne moraju određivati isti mehanizmi.

– Stanica dodatnu DNA ne rješava tako da jednostavno proporcionalno poveća cijeli sustav. Najjasnije se mijenja prostor u kojem su kromosomi organizirani, rekao je Lovro Gudlin iz istraživačke grupe Ive Tolić.

Prvi autori rada su Lovro Gudlin, Kruno Vukušić s IRB-a i Maja Novak s PMF-a. Matematički model pokazao je gotovo isto pravilo prilagodbe kakvo je uočeno usporedbom različitih vrsta, što upućuje na mogućnost da se iza velike biološke raznolikosti krije jednostavan fizički princip.

Promjene u količini DNA, uključujući udvostručavanje cijelog genoma, tijekom evolucije događale su se više puta. Istraživanje pokazuje da se diobeno vreteno može mehanički prilagođavati takvim promjenama, što je moglo olakšati evolucijske procese povezane i s nastankom novih vrsta.

Otkriće bi moglo biti važno i za razumijevanje tumorskih stanica, koje mogu prolaziti kroz velike promjene u količini DNA. Prilagodljivost sustava stanične diobe može im pomoći da takve promjene podnesu. No kada količina kromosomskog materijala postane prevelika ili je prostor za diobu ograničen, raste mehaničko opterećenje i rizik od pogrešne raspodjele kromosoma.

To otvara mogućnost istraživanja može li se povećana kromosomska nestabilnost iskoristiti za selektivno uništavanje tumorskih stanica, osobito onih s povećanim genomima. Riječ je, međutim, o mogućem smjeru budućih istraživanja, a ne o već razvijenoj terapiji.

Šest godina projekta

ANEUPLOIDY je prvi ERC Synergy projekt dodijeljen istraživačima i institucijama iz Hrvatske, a njegovim završetkom 2026. Hrvatska je dobila i prvi dovršeni projekt te vrste s hrvatskim vodećim istraživačima. Tijekom šest godina na projektu je radilo više od 15 znanstvenika, istraživača i administrativnih djelatnika te je objavljen 41 znanstveni rad, od kojih su hrvatski znanstvenici imali važne autorske uloge u njih 33.