Πώς οι παράξενες ανατροπές στο DNA ενορχηστρώνουν τη ζωή

Το DNA είναι πιθανώς περισσότερο γνωστό για το εμβληματικό του σχήμα - τη διπλή έλικα που περιέγραψαν για πρώτη φορά οι Τζέιμς Γουάτσον και Φράνσις Κρικ πριν από περισσότερα από 60 χρόνια. Αλλά το μόριο σπάνια παίρνει αυτή τη μορφή στα ζωντανά κύτταρα. Αντίθετα, το DNA διπλής έλικας τυλίγεται περαιτέρω σε πολύπλοκα σχήματα που μπορούν να παίξουν βαθύ ρόλο στον τρόπο αλληλεπίδρασης με άλλα μόρια. «Το DNA είναι πολύ πιο ενεργό στη δική του ρύθμιση από ό,τι πιστεύαμε», δήλωσε η Lynn Zechiedrich, βιοφυσικός στο Baylor College of Medicine και ένας από τους ερευνητές που ηγούνται της μελέτης του λεγόμενου supercoiled DNA. "Δεν είναι ένα παθητικό [μόριο] που περιμένει να το κολλήσουν οι πρωτεΐνες."

Τα νεότερα ευρήματα του Zechiedrich, που δημοσιεύθηκαν στο Nature Communications τον Οκτώβριο, αποτυπώστε τη δυναμική φύση του υπερτυλιγμένου DNA και υποδείξτε τι θα μπορούσε να είναι μια νέα λύση σε ένα από τα μακροχρόνια παζλ του DNA. Τα γράμματα του γενετικού κώδικα, γνωστά ως βάσεις, βρίσκονται κρυμμένα μέσα στην έλικα — πώς λοιπόν αποκτά πρόσβαση ο μοριακός μηχανισμός που διαβάζει αυτόν τον κώδικα και αντιγράφει το DNA; Οι εξειδικευμένες πρωτεΐνες μπορούν να αποσυμπιέσουν μικρά τμήματα του μορίου όταν αυτό αντιγράφεται και όταν μετατρέπεται σε RNA, μια διαδικασία γνωστή ως μεταγραφή. Αλλά το έργο του Zechiedrich δείχνει πώς το DNA ανοίγει από μόνο του. Η απλή συστροφή του DNA μπορεί να εκθέσει τις εσωτερικές βάσεις προς τα έξω, χωρίς τη βοήθεια οποιασδήποτε πρωτεΐνης. Πρόσθετη εργασία από τον David Levens, βιολόγο στο Εθνικό Ινστιτούτο Καρκίνου, έδειξε ότι η ίδια η μεταγραφή παραμορφώνει το DNA σε ζωντανά ανθρώπινα κύτταρα, σφίγγοντας ορισμένα μέρη του πηνίου και χαλαρώνοντάς το σε άλλα. Αυτό το άγχος προκαλεί αλλαγές στο σχήμα, κυρίως ανοίγοντας την έλικα προς ανάγνωση.

Η έρευνα υπαινίσσεται μια μη μελετημένη γλώσσα τοπολογίας DNA που θα μπορούσε να κατευθύνει μια σειρά από κυτταρικές διεργασίες. «Είναι ενδιαφέρον το γεγονός ότι το DNA συμπεριφέρεται με αυτόν τον τρόπο, ότι η τοπολογία έχει σημασία στους ζωντανούς οργανισμούς», δήλωσε ο Craig Benham, μαθηματικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Davis. "Νομίζω ότι ήταν μια έκπληξη για πολλούς βιολόγους."

Δεν υπάρχει χρόνος για χαλάρωση

Για να πάρετε μια αίσθηση για το υπερτυλιγμένο DNA, φανταστείτε να στρίβετε ένα κομμάτι χορδής. Αφήστε τη χορδή να φύγει και ξετυλίγεται. Στρίψτε το αρκετά και διπλώνει μόνο του. Ο βαθμός συστροφής ασκεί πίεση στη χορδή, η οποία διέπει το σχήμα που παίρνει.

Το DNA συμπεριφέρεται με παρόμοιο τρόπο. Όπως και η χορδή, προτιμά να είναι στην πιο χαλαρή της κατάσταση - την εικονική διπλή έλικα. Αλλά το DNA σπάνια χαλαρώνει. Υπόκειται σε μια συνεχή επίθεση μορίων που το δεσμεύουν - τα ένζυμα που ξεμπερδεύουν, ξετυλίγονται και στη συνέχεια αναπαράγουν το DNA. τα μόρια που επισημαίνουν ποια γονίδια είναι ενεργά και ποια σιωπηλά. και τις πρωτεΐνες που συσκευάζουν το μακρύ μόριο σε ένα διαχειρίσιμο μέγεθος. Όλα αυτά τα μόρια συσπειρώνουν το DNA σε νέα σχήματα, εμποδίζοντάς το από την ανάπαυση της απλής διπλής έλικας.

Irobalieva RN et al., Nat. Κοιν. 2015

Βίντεο: Αυτή η προσομοίωση απεικονίζει τον δυναμικό χορό των μικροσκοπικών κύκλων υπερτυλιγμένου DNA.

Αυτές οι αλληλεπιδράσεις αντιπροσωπεύουν τις εσωτερικές λειτουργίες του κυττάρου, τη βάση όλης της ζωής. Το πώς το κύτταρο αποφασίζει να ενεργοποιήσει ένα συγκεκριμένο γονίδιο, για παράδειγμα, περιλαμβάνει μια περίπλοκη συναρμολόγηση μορίων στο σωστό μέρος τη σωστή στιγμή. Οι αλληλεπιδράσεις πρωτεΐνης-DNA παρουσιάζουν επίσης πρωταρχικούς στόχους για φάρμακα καθώς και γνώσεις σχετικά με τις ασθένειες. Φανταστείτε ένα φάρμακο που θα μπορούσε να εμποδίσει την ενεργοποίηση ενός γονιδίου που συνδέεται με τον καρκίνο χωρίς να παρεμβαίνει σε άλλα γονίδια.

Δυστυχώς, αυτές οι αλληλεπιδράσεις είναι πολύ δύσκολο να μελετηθούν επειδή τα βιολογικά μόρια μορφοποιούνται τόσο εύκολα. Ένας μηχανικός θα δυσκολευόταν να φτιάξει ένα αυτοκίνητο εάν τα εξαρτήματα μεταλλάσσονταν συνεχώς.

Για να καταγράψουν τη σύνθετη δομή αυτών των αλληλεπιδράσεων νανοκλίμακας, οι επιστήμονες συνήθως κρυσταλλώνουν τα μόρια, παγώνοντας το σχήμα τους για την κάμερα. Η συντριπτική πλειονότητα αυτών των μελετών χρησιμοποιεί σύντομους κλώνους χαλαρού DNA - την τυπική μορφή διπλής έλικας - επειδή είναι εύκολο να εργαστείτε και φθηνό να κατασκευαστεί. Αλλά αυτό μπορεί να μην αποτυπώσει την αληθινή εικόνα. Το χαλαρό DNA συχνά συμπεριφέρεται διαφορετικά από αυτό που βρίσκεται στο κύτταρο, στρεβλωμένο γύρω από κάθε είδους πρωτεΐνες.

Η Zechiedrich και οι συνεργάτες της πέρασαν τις τελευταίες δύο δεκαετίες φτιάχνοντας μικρά κομμάτια υπερτυλιγμένου DNA, των οποίων η συμπεριφορά μιμείται καλύτερα το DNA στο ζωντανό κύτταρο. Ουσιαστικά, παίρνουν ένα κοντό κλώνο DNA και το στρίβουν - μία, δύο, τρεις ή περισσότερες φορές - είτε με ή ενάντια στο πηνίο. Στη συνέχεια κολλάνε τις άκρες μεταξύ τους. Το τελικό αποτέλεσμα είναι ένας μικροσκοπικός κύκλος DNA τυλιγμένο προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση. Η Zechiedrich, ο συνεργάτης της και ο συνάδελφός της στον Baylor, Jonathan Fogg και άλλοι, έχουν δείξει ότι αυτά τα στριμμένα πηνία χορεύουν, περνώντας μέσα από ένα μικροσκοπικό μπαλέτο. Κάθε μόριο μπορεί να πάρει μια ποικιλία σχημάτων, από απλούς κύκλους μέχρι οκτώ, ρακέτες, χειροπέδες, βελόνες και ράβδους. «Το γραμμικό DNA είναι άκαμπτο και άκαμπτο», είπε ο De Witt Sumners, μαθηματικός στο κρατικό πανεπιστήμιο της Φλόριντα στο Tallahassee. "Όμως όταν το λυγίζετε σε έναν μικρό κύκλο, το duplex ανοίγει και υιοθετεί έναν μεγάλο αριθμό ενδιαφέροντων σχημάτων — αυτό είναι εντελώς απροσδόκητο."

Η πιο πρόσφατη μελέτη από το εργαστήριο του Zechiedrich παρέχει την πιο ξεκάθαρη εικόνα αυτών των μικροσκοπικών δακτυλίων. Οι ερευνητές κατέγραψαν μικροσκοπικές εικόνες μεμονωμένων κύκλων σε μια ποικιλία διαφορετικών σχημάτων. Συνδυάζοντας τις εικόνες με εξελιγμένα υπολογιστικά μοντέλα που δημιουργήθηκαν από τη συνεργάτιδα Sarah Harris, βιολόγο στο Πανεπιστήμιο του Leeds, μπόρεσαν να προβλέψουν τις ακριβείς κινήσεις κάθε μορίου.

Αν και οι επιστήμονες γνώριζαν ήδη κομμάτια για το πώς λειτουργεί το υπερτυλιγμένο DNA, ο συνδυασμός μικροσκοπίας και μοντελοποίησης στο νέο έγγραφο βοηθά στη δημιουργία μιας πιο ακριβούς εικόνας. «Για ένα μεγάλο μέρος της βιολογικής κοινότητας, το να βλέπεις είναι να πιστεύεις», δήλωσε ο Stephen Levene, βιοφυσικός και βιομηχανικός στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ντάλας, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. "Μπορείτε να δείξετε μαθηματικά μοντέλα, αλλά αν δεν έχετε κάποια πειστικά δομικά δεδομένα, είναι δύσκολο να κάνετε τους ανθρώπους να εκτιμήσουν αυτό που συμβαίνει."

Εκτέθηκε DNA

Οι ερευνητές γνώριζαν από τη δεκαετία του 1970 ότι η συστροφή του DNA αντίθετα από την κατεύθυνση της έλικας - που ονομάζεται αρνητική υπερέλιξη - μπορεί να διασπάσει τους δύο κλώνους. Αυτή η διάσπαση εξυπηρετεί διττό σκοπό. Τόσο ανακουφίζει από το παγωμένο μοριακό στρες και εκθέτει τον κώδικα που κρύβεται μέσα στην έλικα, παρέχοντας πρόσβαση στις μοριακές μηχανές που αναπαράγουν το DNA και δημιουργούν RNA.

Αλλά αμέσως μετά την ολοκλήρωση αυτής της εργασίας, οι επιστήμονες ανέπτυξαν νέες τεχνικές για την ανάγνωση της αλληλουχίας των βασικών γραμμάτων στο γονιδίωμα, ξεκινώντας την επανάσταση της γενετικής αλληλουχίας. «Η αλληλουχία άνοιξε πολλές πιθανότητες, αλλά επίσης παρέσυρε τους πάντες, έτσι ώστε οι [δομικές] ερωτήσεις ήταν ξαφνικά πολύ παροδικές», είπε ο Benham.

Για τρεις δεκαετίες, οι περισσότεροι επιστήμονες υπέθεταν ότι η υπερέλιξη πιθανότατα δεν ήταν πολύ σημαντική σε πολύπλοκα κύτταρα, τα οποία έχουν ειδικά ένζυμα που κόβουν και ξεμπερδεύουν το DNA με κόμπους. Αυτά τα ένζυμα βοηθούν στην πρόληψη της συσσώρευσης ενοχλητικού στρες. Αλλά δεν είναι 100 τοις εκατό αποτελεσματικά. Το 2008, ο Levens, ο βιολόγος του Εθνικού Ινστιτούτου Καρκίνου, ηγήθηκε μιας ομάδας που ανίχνευσε υπερπηνία σε ανθρώπινα κύτταρα, αναζωπυρώνοντας το ενδιαφέρον για τη δομή υψηλότερης τάξης του DNA.

Ο Levens και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν ότι η μεταγραφή περιστρέφει το DNA, αφήνοντας ένα ίχνος υποσπειρωμένου (ή αρνητικά υπερτυλιγμένου) DNA στο πέρασμά του. Επιπλέον, ανακάλυψαν ότι η ίδια η αλληλουχία DNA επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο το μόριο ανταποκρίνεται στην υπερέλιξη. Για παράδειγμα, οι ερευνητές εντόπισαν μια συγκεκριμένη αλληλουχία DNA που είναι επιρρεπής στο άνοιγμα όταν πιέζεται, όπως ένα αδύναμο σημείο σε έναν παλιό εσωτερικό σωλήνα. Το τμήμα λειτουργεί ως ένα είδος χημικού cruise control. Καθώς η ποσότητα του υπερπηνίου ανεβαίνει και πέφτει, επιβραδύνει ή επιταχύνει τον ρυθμό με τον οποίο τα μοριακά μηχανήματα διαβάζουν το DNA.

Ο Levens λέει ότι αυτές οι δομικές αλλαγές βοηθούν επίσης το DNA να επικοινωνεί κατά μήκος του. Ακριβώς όπως το πάτημα ενός εσωτερικού σωλήνα προκαλεί διόγκωση ενός αδύναμου σημείου, οι αλλαγές στο σχήμα ενός μέρους του μορίου του DNA μπορεί να προκαλέσουν στρες σε άλλα σημεία κατά μήκος του, το οποίο με τη σειρά του μπορεί να βοηθήσει στη ρύθμιση των γονιδίων.

Τα ευρήματα ευθυγραμμίζονται με τα μοντέλα του Χάρις, τα οποία δείχνουν ότι η υπερέλιξη μπορεί να χωρίσει τους δύο κλώνους της έλικας, περιστρέφοντας τις βάσεις DNA που κανονικά βρίσκονται μέσα στην έλικα προς τα έξω, ένα φαινόμενο γνωστό ως ανατροπή βάσης. Άλλες προσομοιώσεις δείχνουν ότι η περιστροφή λίγο περισσότερο ανατρέπει πρόσθετες βάσεις, δημιουργώντας μια φυσαλίδα DNA από μέσα προς τα έξω. Ο Zechiedrich θεωρεί ότι αυτές οι φυσαλίδες μπορεί να παρέχουν σημεία ενεργοποίησης για αντιγραφή ή έκφραση γονιδίου. Αυτό αμφισβητεί την τυπική άποψη, σύμφωνα με την οποία οι πρωτεΐνες προσκολλώνται στο DNA και ξεκινούν αυτά τα συμβάντα. «Ποιος οδηγεί το λεωφορείο στον κυτταρικό μεταβολισμό;» είπε η Σάμνερς. "Είναι μια πολύ δυναμική διαδικασία - το DNA και οι πρωτεΐνες επηρεάζουν το πώς δρα και αντιδρά ο άλλος."

Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι τα αποτελέσματα θα εμπνεύσουν νέα ερωτήματα και μια ανανεωμένη εξέταση του σχήματος και της ευελιξίας του DNA. «Αυτά τα πειράματα θα διεγείρουν πολλή σκέψη και επανεξέταση, ειδικά στην κοινότητα της φυσικής», δήλωσε η Wilma Olson, βιοφυσική χημικός στο Πανεπιστήμιο Rutgers στο New Jersey.

Οι μαθηματικοί και οι φυσικοί ενδιαφέρονται εδώ και καιρό από το υπερτυλιγμένο DNA και τον ρόλο που παίζει η τοπολογία του DNA στο κύτταρο. Σύμφωνα με τον Sumners, το πεδίο είναι ώριμο για εκμετάλλευση με νέες μαθηματικές προσεγγίσεις. «Η μητέρα φύση έχει ξεκάθαρα ένα μήνυμα εδώ», είπε ο Sumners. "Το ερώτημα είναι πώς να το ερμηνεύσουμε."