Ερευνητές χαρτογράφησαν το ακριβές σημείο όπου «ανοίγει» για πρώτη φορά το DNA και εντόπισαν μια μοριακή πύλη στην ελικάση μέσω της οποίας απελευθερώνεται ο ένας από τους δύο κλώνους καθώς ξεκινά η αντιγραφή του γονιδιώματος.
Πριν ένα κύτταρο διαιρεθεί πρέπει να ανοίξει το σφιχτά τυλιγμένο DNA του και να αρχίσει να αντιγράφει ολόκληρο το γονιδίωμά του. Διεθνής ερευνητική ομάδα με επικεφαλής επιστήμονες από το Εργαστήριο Ιατρικών Επιστημών (LMS) στο Λονδίνο κατάφεραν να παρακολουθήσουν μία από τις πρώτες στιγμές αυτής της διαδικασίας αποκαλύπτοντας πού ακριβώς διαχωρίζονται για πρώτη φορά οι δύο κλώνοι του DNA μέσα σε ζωντανά κύτταρα και εντοπίζοντας μια μοριακή πύλη που συμβάλλει στην έναρξη της αντιγραφής.
Η μελέτη που δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Nature Communications» προσφέρει μια πιο λεπτομερή εικόνα για το πώς τα κύτταρα ξεκινούν να αντιγράφουν το γενετικό τους υλικό. Επειδή τα λάθη κατά την αντιγραφή μπορούν να προκαλέσουν βλάβες στο γονιδίωμα η έναρξη της διαδικασίας πρέπει να ελέγχεται με εξαιρετική ακρίβεια.
Το DNA ανοίγει στο σημείο ένωσης των δακτυλίων
Για να προετοιμαστεί το DNA για αντιγραφή τα κύτταρα ενεργοποιούν μοριακές μηχανές που ονομάζονται ελικάσες οι οποίες διαχωρίζουν τους δύο κλώνους της διπλής έλικας. Στο κέντρο αυτού του μηχανισμού βρίσκεται το σύμπλοκο πρωτεϊνών MCM2-7 το οποίο αποτελείται από έξι υπομονάδες. Δύο δακτύλιοι MCM2-7 τοποθετούνται γύρω από το DNA σε συγκεκριμένες περιοχές που ονομάζονται «σημεία έναρξης αντιγραφής».
Όταν ενεργοποιηθούν οι δύο δακτύλιοι διαχωρίζονται και σχηματίζουν δύο πιρούνια αντιγραφής (replication forks) δηλαδή τις κινούμενες δομές στις οποίες συντίθενται οι νέοι κλώνοι DNA.
Παρότι η αντιγραφή του DNA μελετάται εδώ και δεκαετίες τα πρώτα της βήματα μέσα σε ζωντανά κύτταρα παρέμεναν δύσκολο να παρατηρηθούν. Οι επιστήμονες δεν γνώριζαν με ακρίβεια πού ανοίγει αρχικά το DNA, πώς ο ένας κλώνος εξέρχεται από τον δακτύλιο της ελικάσης και με ποιον τρόπο αναδιοργανώνεται ο μηχανισμός καθώς ξεκινά η αντιγραφή.
«Η αντιγραφή του DNA είναι θεμελιώδης για κάθε κυτταρική διαίρεση, όμως δεν γνωρίζαμε ακόμη πλήρως πώς ξεκινά μέσα στα ζωντανά κύτταρα. Θέλαμε να εντοπίσουμε το σημείο όπου ανοίγει για πρώτη φορά το DNA και να κατανοήσουμε πώς η ελικάση, το μοριακό “φερμουάρ” που διαχωρίζει τους δύο κλώνους, μετατρέπεται στην ενεργή της μορφή. Με τον εντοπισμό αυτών των πρώτων σταδίων μπορούμε πλέον να εξηγήσουμε με μεγαλύτερη σαφήνεια πώς τα κύτταρα αρχίζουν να αντιγράφουν το DNA τους στο σωστό σημείο και τη σωστή χρονική στιγμή» αναφέρει ο δήλωσε ο Δρ. Μαξιμίλιαν Ρόιτερ από το Ινστιτούτο Μοριακής Βιολογίας στο Μάιντς της Γερμανίας.
Οι επιστήμονες συχνά παρομοιάζουν το άνοιγμα της διπλής έλικας με το άνοιγμα ενός φερμουάρ πριν διαβαστούν ή αντιγραφούν οι πληροφορίες που περιέχει. Για να παρακολουθήσουν αυτή τη διαδικασία, οι ερευνητές συνδύασαν τεχνικές συνθετικής βιολογίας, χαρτογράφησης του DNA σε ολόκληρο το γονιδίωμα και ανάλυσης πρωτεϊνών σε ζωντανά κύτταρα ζύμης.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το DNA ανοίγει αρχικά σε ένα πολύ συγκεκριμένο σημείο, κοντά στη διεπιφάνεια όπου συναντώνται οι δύο δακτύλιοι MCM2-7. Στην ίδια αυτή μικρή περιοχή του DNA είχαν προηγουμένως προσδεθεί και οι πρωτεΐνες που απαιτούνται για την έναρξη της αντιγραφής. Το γεγονός αυτό υποδηλώνει ότι το κύτταρο συντονίζει πολλά διαφορετικά στάδια της διαδικασίας μέσα σε ένα ιδιαίτερα περιορισμένο τμήμα του γονιδιώματος.
Μια μοριακή πύλη επιτρέπει την έξοδο του ενός κλώνου
Οι ερευνητές εντόπισαν επίσης μια εξειδικευμένη «πύλη» στο σύμπλοκο της ελικάσης η οποία λειτουργεί στα πρώτα στάδια της αντιγραφής. Τα στοιχεία δείχνουν ότι μέσω αυτού του ανοίγματος εξέρχεται ο ένας από τους δύο κλώνους του DNA, καθώς η ελικάση ενεργοποιείται. Για να επιβεβαιώσουν τον ρόλο της πύλης, οι επιστήμονες συνέδεσαν τεχνητά γειτονικές υπομονάδες κάθε ελικάσης με έναν μοριακό σύνδεσμο.
Η παρέμβαση αυτή εμπόδισε τον σχηματισμό των δύο πιρουνιών αντιγραφής, επειδή οι συνδεδεμένες ελικάσες δεν μπορούσαν να κινηθούν η μία δίπλα στην άλλη χωρίς να μπλεχτούν μεταξύ τους. Το πείραμα έδειξε ότι η συγκεκριμένη πύλη είναι απαραίτητη για την ενεργοποίηση του μηχανισμού αντιγραφής και για τη μετάβαση του κυττάρου από τη φάση της προετοιμασίας στην ενεργή αντιγραφή του γονιδιώματος.
Όλα τα στάδια λειτουργούν ως μία ενιαία διαδικασία
Η μελέτη συνδέει πολλά επιμέρους γεγονότα που μέχρι σήμερα θεωρούνταν ανεξάρτητα. Δείχνει ότι το άνοιγμα του DNA, ο διαχωρισμός των δύο ελικάσεων, η έξοδος του ενός κλώνου και η είσοδος ή αποχώρηση των πρωτεϊνών της αντιγραφής αποτελούν τμήματα μιας αυστηρά συντονισμένης αλληλουχίας.
Οι ερευνητές παρατήρησαν επίσης ενδιάμεσες μορφές του μηχανισμού που δεν είχαν καταγραφεί ποτέ στο παρελθόν. Αυτές οι προσωρινές καταστάσεις εξηγούν πώς τα ανενεργά πρωτεϊνικά συμπλέγματα μετατρέπονται σε πλήρως λειτουργικές μηχανές αντιγραφής του DNA.
Ο μηχανισμός πιθανότατα ισχύει και για τον άνθρωπο
Τα αποτελέσματα βοηθούν τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα πώς τα κύτταρα διατηρούν την ακεραιότητα των γενετικών πληροφοριών και τις μεταβιβάζουν στις επόμενες γενιές. Η ακριβής αντιγραφή του DNA είναι απαραίτητη για τη σταθερότητα του γονιδιώματος ενώ τα λάθη μπορούν να αφήσουν τμήματα του DNA κατεστραμμένα ή ελλιπώς αντιγραμμένα.
Η μελέτη δεν οδηγεί άμεσα σε κάποια κλινική εφαρμογή. Ωστόσο πολλές από τις πρωτεΐνες που συμμετέχουν στη διαδικασία είναι εξελικτικά διατηρημένες από τη ζύμη έως τον άνθρωπο γεγονός που υποδηλώνει ότι οι ίδιοι βασικοί μηχανισμοί πιθανότατα ισχύουν και στα ανθρώπινα κύτταρα. Η έρευνα αναδεικνύει επίσης τη σημασία της μελέτης των μοριακών διεργασιών μέσα σε ζωντανά κύτταρα καθώς αυτή η προσέγγιση επιτρέπει στους επιστήμονες να κατανοούν όχι μόνο τη δομή των βιολογικών μηχανών αλλά και τον τρόπο με τον οποίο λειτουργούν σε πραγματικές συνθήκες.
«Η έναρξη της αντιγραφής του DNA δεν είναι απλώς η ενεργοποίηση ενός μοριακού κινητήρα. Οι δύο δακτύλιοι της ελικάσης πρέπει να διαχωριστούν, να ανοίξουν το DNA, να απομακρύνουν προσωρινούς παράγοντες συναρμολόγησης και να κινηθούν ο ένας δίπλα στον άλλο με απόλυτα καθορισμένη σειρά. Χαρτογραφώντας το σημείο όπου ανοίγει για πρώτη φορά το DNA σε ζωντανά κύτταρα και εντοπίζοντας την πύλη μέσω της οποίας εξέρχεται ο ένας κλώνος, μπορούμε πλέον να εξηγήσουμε αυτό το θεμελιώδες βήμα με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια» εξηγεί ο καθηγητής Κρίστιαν Σπεκ, επικεφαλής του τμήματος DNA Replication Group στο LMS.
Naftemporiki.gr
