Αυτό το άρθρο παρουσιάστηκε αρχικά στο
Περιοδικό Knowable
.
Κάθε άτομο ξεκινά ως μόνο ένα γονιμοποιημένο ωάριο. Μέχρι την ενηλικίωση, αυτό το μεμονωμένο κύτταρο έχει μετατραπεί σε περίπου 37 τρισεκατομμύρια κύτταρα, πολλά από τα οποία συνεχίζουν να διαιρούνται για να δημιουργούν την ίδια ποσότητα φρέσκων ανθρώπινων κυττάρων κάθε λίγους μήνες.
Αλλά αυτά τα κύτταρα έχουν μια τρομερή πρόκληση. Το μέσο διαιρούμενο κελί πρέπει να αντιγράψει — τέλεια — 3.2
δισεκατομμύριο
ζεύγη βάσεων DNA, περίπου μία φορά κάθε 24 ώρες. Ο μηχανισμός αντιγραφής του κυττάρου κάνει καταπληκτική δουλειά γι’ αυτό, αντιγράφοντας γενετικό υλικό με ρυθμό 50 περίπου ζευγών βάσεων ανά δευτερόλεπτο.
Ωστόσο, αυτό είναι πολύ αργό για να αντιγράψει το σύνολο του
ανθρώπινο γονιδίωμα
. Εάν ο μηχανισμός αντιγραφής του κυττάρου ξεκινούσε στην άκρη καθενός από τα 46 χρωμοσώματα ταυτόχρονα, θα τελείωνε το μακρύτερο χρωμόσωμα —#1, με 249 εκατομμύρια ζεύγη βάσεων— σε περίπου δύο μήνες.
«Ο τρόπος με τον οποίο τα κύτταρα ξεπερνούν αυτό, φυσικά, είναι ότι ξεκινούν την αντιγραφή σε πολλαπλά σημεία», λέει ο Τζέιμς Μπέργκερ, δομικός βιολόγος στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου Τζονς Χόπκινς στη Βαλτιμόρη, ο οποίος συνέγραψε
ένα άρθρο για την αντιγραφή του DNA σε ευκαρυώτες
το 2021
Ετήσια Επιθεώρηση Βιοχημείας
. Τα κύτταρα ζυμομύκητα έχουν εκατοντάδες πιθανές προελεύσεις αντιγραφής, όπως ονομάζονται, και ζώα όπως τα ποντίκια και οι άνθρωποι έχουν δεκάδες χιλιάδες από αυτά, πασπαλισμένα σε όλο το γονιδίωμά τους.
«Αλλά αυτό θέτει τη δική του πρόκληση», λέει ο Berger, «που είναι, πώς ξέρετε από πού να ξεκινήσετε και πώς χρονομετράτε τα πάντα;» Χωρίς έλεγχο ακριβείας, κάποιο DNA μπορεί να αντιγραφεί δύο φορές, προκαλώντας κυτταρικό πανδαιμόνιο.
Το να κρατάμε σφιχτά τα ηνία στην αρχή της αντιγραφής του DNA είναι ιδιαίτερα σημαντικό για να αποφευχθεί αυτό το πανδαιμόνιο. Σήμερα, οι ερευνητές κάνουν βήματα προς την πλήρη κατανόηση των μοριακών ελέγχων και ισορροπιών που έχουν εξελιχθεί, προκειμένου να διασφαλίσουν ότι κάθε προέλευση ξεκινά την αντιγραφή DNA μία και μόνο μία φορά, για να παράγει ακριβώς ένα πλήρες νέο γονιδίωμα.
Κάντε το σωστά, κάντε το γρήγορα
Μπορούν να συμβούν άσχημα πράγματα εάν η αναπαραγωγή δεν ξεκινήσει σωστά. Για να αντιγραφεί το DNA, πρέπει να ανοίξει η διπλή έλικα του DNA και οι μονόκλωνοι που προκύπτουν – καθένας από τους οποίους χρησιμεύει ως πρότυπο για την κατασκευή ενός νέου, δεύτερου κλώνου – είναι ευάλωτοι σε θραύση. Ή η διαδικασία μπορεί να κολλήσει. «Θέλετε πραγματικά να επιλύσετε γρήγορα την αντιγραφή», λέει ο John Diffley, βιοχημικός στο Ινστιτούτο Francis Crick στο Λονδίνο. Τα προβλήματα κατά την αντιγραφή του DNA μπορεί να προκαλέσουν την αποδιοργάνωση του γονιδιώματος, κάτι που είναι συχνά ένα βασικό βήμα στην πορεία προς τον καρκίνο.
Ορισμένες γενετικές ασθένειες, επίσης, προκύπτουν από
προβλήματα με την αντιγραφή του DNA
. Για παράδειγμα, το σύνδρομο Meier-Gorlin, το οποίο περιλαμβάνει μικρό ανάστημα, μικρά αυτιά και μικρές ή καθόλου επιγονατίδες, προκαλείται από μεταλλάξεις σε πολλά γονίδια που βοηθούν στην έναρξη της διαδικασίας αντιγραφής του DNA.
Χρειάζεται ένας στενά συντονισμένος χορός που περιλαμβάνει δεκάδες πρωτεΐνες για να ξεκινήσει η αντιγραφή του DNA στο σωστό σημείο του κύκλου ζωής του κυττάρου. Οι ερευνητές έχουν μια πολύ καλή ιδέα για το ποιες πρωτεΐνες κάνουν τι, επειδή κατάφεραν να κάνουν την αντιγραφή του DNA να συμβεί σε βιολογικά μείγματα χωρίς κύτταρα στο εργαστήριο. Έχουν μιμηθεί τα πρώτα κρίσιμα βήματα για την έναρξη της αναπαραγωγής
χρησιμοποιώντας πρωτεΐνες από μαγιά
—το ίδιο είδος που χρησιμοποιείται για την παρασκευή ψωμιού και μπύρας—και έχουν μιμηθεί μεγάλο μέρος της όλης διαδικασίας αναπαραγωγής
χρησιμοποιώντας ανθρώπινες εκδόσεις πρωτεϊνών αντιγραφής
πολύ.
Το κύτταρο ελέγχει την έναρξη της αντιγραφής του DNA σε μια διαδικασία δύο σταδίων. Ο συνολικός στόχος της διαδικασίας είναι να ελεγχθούν οι δράσεις ενός κρίσιμου ενζύμου – που ονομάζεται ελικάση – που ξετυλίγει τη διπλή έλικα του DNA προετοιμάζοντας την αντιγραφή της. Στο πρώτο βήμα, οι ανενεργές ελικάσες φορτώνονται στο DNA στην αρχή, όπου αρχίζει η αντιγραφή. Κατά το δεύτερο βήμα, οι ελικάσες ενεργοποιούνται, για να ξετυλιχθεί το DNA.
Έτοιμος (φόρτωση της ελίκας)…
Η έναρξη της διαδικασίας είναι ένα σύμπλεγμα έξι πρωτεϊνών που βρίσκονται στην αρχή. Ονομάζεται ORC, αυτό το σύμπλεγμα είναι
σε σχήμα δακτυλίου διπλής στρώσης
με μια εύχρηστη εγκοπή που του επιτρέπει να γλιστρήσει πάνω στους κλώνους του DNA, ανακάλυψε η ομάδα του Berger.
Στη μαγιά αρτοποιίας, η οποία είναι αγαπημένη για τους επιστήμονες που μελετούν την αντιγραφή του DNA, αυτές οι θέσεις έναρξης είναι εύκολο να εντοπιστούν: Έχουν μια συγκεκριμένη αλληλουχία DNA πυρήνα 11 έως 17 γραμμάτων, πλούσια σε χημικές βάσεις αδενίνης και θυμίνης. Οι επιστήμονες παρακολούθησαν το ORC να πιάνει το DNA και μετά να γλιστράει,
σάρωση για την αλληλουχία προέλευσης
μέχρι να βρει το σωστό σημείο.
Αλλά στους ανθρώπους και σε άλλες πολύπλοκες μορφές ζωής, οι τοποθεσίες έναρξης δεν είναι τόσο ξεκάθαρα οριοθετημένες και δεν είναι απολύτως σαφές τι κάνει το ORC να εγκατασταθεί και να αρπάξει, λέει ο Alessandro Costa, δομικός βιολόγος στο Ινστιτούτο Crick, ο οποίος, μαζί με τον Diffley, έγραψε
σχετικά με την έναρξη αντιγραφής του DNA
το 2022
Ετήσια Επιθεώρηση Βιοχημείας
. Ο αναδιπλασιασμός φαίνεται πιο πιθανό να ξεκινήσει σε μέρη όπου το γονιδίωμα -που συνήθως περιτυλίγεται σφιχτά γύρω από πρωτεΐνες που ονομάζονται ιστόνες- έχει χαλαρώσει.
Μόλις το ORC κατακαθίσει στο DNA, προσελκύει ένα δεύτερο σύμπλεγμα πρωτεΐνης: ένα που περιλαμβάνει την ελικάση που τελικά θα ξετυλίξει το DNA. Ο Costa και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν ηλεκτρονικό μικροσκόπιο για να καταλάβουν πώς το ORC
θέλγητρα πρώτα σε μια ελικάση και μετά σε μια άλλη
. Οι ελικάσες έχουν επίσης σχήμα δακτυλίου και κάθε μία ανοίγει για να τυλιχτεί γύρω από το δίκλωνο DNA. Στη συνέχεια, οι δύο ελικάσες κλείνουν ξανά, αντικριστά στους κλώνους του DNA, σαν δύο χάντρες σε μια χορδή.
Στην αρχή, απλώς κάθονται εκεί, σαν αυτοκίνητα χωρίς βενζίνη στη δεξαμενή. Δεν έχουν ενεργοποιηθεί ακόμα και προς το παρόν το κελί συνεχίζει τις συνήθεις εργασίες του.
Ρυθμίστε (ενεργοποιήστε την ελικάση)…
Τα πράγματα ξεκινούν όταν ένα κρίσιμο μόριο που ονομάζεται CDK κυματίζει την πράσινη σημαία, ξεκινώντας χημικά βήματα που δελεάζουν ακόμη περισσότερες πρωτεΐνες. Ένα από αυτά είναι η πολυμεράση του DNA – αυτό που ο Κόστα αποκαλεί τη «γραφομηχανή» που θα δημιουργήσει νέους κλώνους DNA – η οποία προσκολλάται σε κάθε ελικάση. Άλλοι ενεργοποιούν τις ελικάσες, οι οποίες μπορούν τώρα να κάψουν ενέργεια για να τραβήξουν το DNA.
Καθώς συμβαίνει αυτό, οι ελικάσες αλλάζουν σχήμα, πιέζοντας τη μία αλυσίδα DNA και τραβώντας την άλλη. Αυτό δημιουργεί πίεση στους ασθενείς δεσμούς υδρογόνου που κανονικά συγκρατούν τους δύο κλώνους μαζί από τις βάσεις – τα As, Cs, Ts και Gs που αποτελούν τα σκαλοπάτια της σκάλας DNA. Τα δύο σκέλη σκίζονται. Ο Κώστας και οι συνεργάτες του έχουν παρατηρήσει πώς οι δύο ελίκες
ξεδιπλώστε το DNA ανάμεσά τους
και έχουν δει πώς οι ελίκες κρατούν τις αδέσμευτες βάσεις σταθερές και μακριά από το δρόμο.
Πηγαίνω!
Στην αρχή, και οι δύο ελικάσες είναι τυλιγμένες γύρω από τις δύο κλώνες του DNA, και δεν μπορούν να φτάσουν πολύ μακριά έτσι, επειδή είναι η μία απέναντι από την άλλη και απλώς θα συναντηθούν. Στη συνέχεια, όμως, το καθένα υφίσταται μια αλλαγή στη θέση του, φτύνοντας τον έναν ή τον άλλο κλώνο DNA έξω από το δαχτυλίδι. Τώρα χωρισμένα, μπορούν να προσπεράσουν το ένα το άλλο και η αναπαραγωγή προχωρά με ταχύτητα.
Κάθε κινητήρας ελικάσης κινείται κατά μήκος της μονής αλυσίδας της, στην αντίθετη κατεύθυνση από την άλλη. Αφήνουν πίσω τους την αρχή και διαχωρίζουν αυτά τα δεσμευμένα με υδρογόνο ζεύγη βάσεων καθώς ταξιδεύουν. Η DNA πολυμεράση βρίσκεται ακριβώς πίσω, αντιγράφοντας τα γράμματα DNA καθώς απελευθερώνονται από τους συνεργάτες τους.
Η δεύτερη δουλειά του CDK είναι να σταματήσει άλλες ελικάσες να πηδήξουν στην προέλευση. Έτσι, υπάρχει μία έναρξη αντιγραφής ανά προέλευση, διασφαλίζοντας τη σωστή αντιγραφή του γονιδιώματος — αν και η αντιγραφή δεν ξεκινά την ίδια στιγμή σε κάθε τοποθεσία. Η όλη διαδικασία αντιγραφής του DNA, στα ανθρώπινα κύτταρα, διαρκεί περίπου οκτώ ώρες.
Υπάρχουν ακόμη πολλά που πρέπει να επεξεργαστούμε. Για ένα πράγμα, το DNA που αντιγράφεται δεν είναι μια γυμνή διπλή έλικα. Είναι τυλιγμένο γύρω από ιστόνες και συνδέεται με πολλές άλλες πρωτεΐνες που ασχολούνται με την ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση γονιδίων ή
δημιουργία αντιγράφων RNA των γονιδίων
. Πώς αυτές οι πρωτεΐνες επηρεάζουν η μία την άλλη και αποφεύγουν να μπαίνουν εμπόδια η μία στην άλλη;
Πέρα από αυτή τη συναρπαστική, θεμελιώδη βιολογία -μια αξιοσημείωτη διαδικασία απαραίτητη για όλη τη ζωή στη Γη- υπάρχουν συνέπειες για ασθένειες όπως ο καρκίνος. Οι επιστήμονες γνωρίζουν ήδη ότι η ελαττωματική αντιγραφή μπορεί να αποσταθεροποιήσει το DNA και ένα ασταθές γονιδίωμα που είναι επιρρεπές σε μετάλλαξη μπορεί να είναι ένα πρώιμο χαρακτηριστικό της ανάπτυξης καρκίνου. Και είναι
περαιτέρω διερεύνηση
συνδέσεις μεταξύ πρωτεϊνών αντιγραφής και καρκίνου.
«Νομίζω ότι υπάρχουν ευκαιρίες για θεραπευτικές παρεμβάσεις για αυτά τα συστήματα», λέει ο Berger, «όταν έχουμε αρκετές γνώσεις για το πώς λειτουργούν και πώς μοιάζουν».
Αυτό το άρθρο εμφανίστηκε αρχικά στο
Περιοδικό Knowable
, μια ανεξάρτητη δημοσιογραφική προσπάθεια από την Annual
Reviews
. Εγγραφείτε για το
ενημερωτικό δελτίο
.
