مکانیسم مولکولی پشت مسیر ترمیم DNA آشکار شد

یک مطالعه جدید به تصویری در حال ظهور و کاملاً جدید اضافه می کند که چگونه سلول های باکتریایی به طور مداوم بخش های معیوب DNA خود را ترمیم می کنند.

به صورت آنلاین در 16 مه در مجله منتشر شد سلول، این گزارش مکانیسم مولکولی پشت مسیر ترمیم DNA را توصیف می کند که با گنجاندن اشتباه نوع خاصی از بلوک های ساختمانی مولکولی، ریبونوکلئوتیدها، در کدهای ژنتیکی مقابله می کند. چنین اشتباهاتی در فرآیند کپی کد در باکتری ها و سایر ارگانیسم ها رایج است. با توجه به اینکه ادغام نادرست ریبونوکلئوتید می تواند منجر به تغییرات مضر کد DNA (جهش) و شکستگی DNA شود، همه موجودات تکامل یافته اند تا یک مسیر ترمیم DNA به نام تعمیر برش ریبونوکلئوتید (RER) داشته باشند که به سرعت چنین خطاهایی را برطرف می کند.

سال گذشته تیمی به رهبری اوگنی نادلر، دکترا، پروفسور جولی ویلسون اندرسون در گروه بیوشیمی و فارماکولوژی مولکولی در دانشگاه لانگون هلث، دو تجزیه و تحلیل از ترمیم DNA در زندگی منتشر کردند. E. coli سلول ها. آنها دریافتند که بیشتر ترمیم انواع خاصی از آسیب های DNA (ضایعات حجیم)، مانند ضایعات ناشی از تابش اشعه ماوراء بنفش، می تواند رخ دهد زیرا بخش های کد آسیب دیده ابتدا توسط یک ماشین پروتئینی به نام RNA پلیمراز شناسایی شده اند. RNA پلیمراز در زنجیره DNA حرکت می کند و رمز “حروف” DNA را می خواند و دستورالعمل ها را در مولکول های RNA رونویسی می کند و سپس ساخت پروتئین را هدایت می کند.

نادلر و همکاران دریافتند که در طی این فرآیند رونویسی، RNA پلیمراز ضایعات DNA را نیز پیدا می کند و سپس به عنوان پلت فرمی برای مونتاژ یک ماشین ترمیم DNA به نام کمپلکس تعمیر برش نوکلئوتیدی (NER) عمل می کند. سپس NER DNA معیوب پیدا شده را برش می‌دهد و آن را با یک کپی دقیق جایگزین می‌کند. بدون عمل RNA پلیمراز، NER کمی، در صورت وجود، در باکتری های زنده رخ می دهد.

اکنون مطالعه جدید در سلول اولین شواهدی را ارائه می دهد که مانند مسیر NER، RER به شدت با رونویسی همراه است. نویسندگان مطالعه شواهدی پیدا کردند که نشان می‌دهد آنزیم کلیدی دخیل در RER، RNaseHII، با RNA پلیمراز نیز همکاری می‌کند، زیرا ریبونوکلئوتیدهای نادرست در زنجیره‌های DNA سلول‌های باکتریایی زنده را اسکن می‌کند.

نتایج ما همچنان الهام بخش بازنگری در برخی اصول اساسی در زمینه ترمیم DNA است. در حرکت رو به جلو، تیم ما قصد دارد بررسی کند که آیا RNA پلیمراز DNA را برای انواع مشکلات اسکن می‌کند و باعث ترمیم ژنوم در سطح وسیع، نه تنها در باکتری‌ها، بلکه در سلول‌های انسانی نیز می‌شود.

اوگنی نادلر، دکترا، محقق موسسه پزشکی هاوارد هیوز

تکنیک های پیشرفته

ریبونوکلئوتیدها (بلوک های سازنده RNA) و دئوکسی ریبونوکلئوتیدها (اجزای DNA) ترکیبات مرتبط هستند. به گفته نویسندگان مطالعه، از آنجایی که سلول‌ها زنجیره‌های DNA را در سلول‌های باکتریایی کپی کرده و می‌سازند، اغلب به اشتباه ریبونوکلئوتیدها را به جای دئوکسی ریبونوکلئوتیدها در زنجیره‌های DNA وارد می‌کنند، زیرا تنها یک اتم اکسیژن با هم تفاوت دارند. در سلول های باکتریایی، DNA پلیمراز III هر بار که از مواد ژنتیکی سلول کپی می کند، حدود 2000 مورد از این اشتباهات را مرتکب می شود. برای حفظ یکپارچگی ژنوم، بخش عمده ای از ریبونوکلئوتیدهای نابجا توسط مسیر RER حذف می شوند، اما یک سوال کلیدی این بود که چگونه RNaseHII ضایعات ریبونوکلئوتیدی نسبتاً نادری را در میان “اقیانوسی” از کدهای DNA سلولی دست نخورده پیدا می کند.

همانطور که در مطالعات سال 2022 خود انجام دادند، محققان از طیف سنجی جرمی کمی و اتصال عرضی پروتئین-پروتئین in vivo برای نقشه برداری از فواصل بین پروتئین های مرتبط شیمیایی استفاده کردند و بنابراین سطوح کلیدی RNaseHII و RNA پلیمراز را در حین تعامل در سلول های باکتریایی زنده تعیین کردند. به این ترتیب آنها تعیین کردند که بیشتر مولکول های RNaseHII با RNA پلیمراز جفت می شوند.

علاوه بر این، آنها از میکروسکوپ الکترونی برودتی (CryoEM) برای گرفتن ساختارهای با وضوح بالا RNaseHII متصل به RNA پلیمراز استفاده کردند تا برهمکنش‌های پروتئین-پروتئین را که مجموعه RER را تعریف می‌کنند، آشکار کنند. علاوه بر این، آزمایش‌های ژنتیکی هدایت‌شده با ساختار که برهمکنش RNA پلیمراز/RNaseHII را تضعیف کرد، RER را به خطر انداخت.

Zhitai Hao، نویسنده اول مطالعه، محقق فوق دکترا در آزمایشگاه Nudler، می‌گوید: «این کار از مدلی پشتیبانی می‌کند که در آن RNaseHII DNA را برای یافتن ریبونوکلئوتیدهای نابجا با سوار شدن بر روی RNA پلیمراز در حالی که در امتداد DNA حرکت می‌کند، اسکن می‌کند. “این کار برای درک اولیه ما از فرآیند ترمیم DNA حیاتی است و پیامدهای بالینی گسترده ای دارد.”

همراه با نادلر و هائو، نویسندگان مطالعه در گروه بیوشیمی و فارماکولوژی مولکولی دانشکده پزشکی دانشگاه NYU Grossman، Manjunath Gowder، Binod Bharati، Vitaly Epshtein، Vladimir Svetlov و Ilya Shamovsky بودند. این مطالعه توسط مؤسسه ملی بهداشت، مؤسسه پزشکی هاوارد هیوز و بنیاد خانواده بلاواتنیک حمایت شد.