آنزیمی که در همانند سازی سلولی، باعث تقسیم مارپیچ مضاعف DNA می شود

تصاویر میکروسکوپ الکترونی از ساختار های میانی دو هلیکاز. تصویر بالا اتصال یک ORC به دو ساختار حلقوی را نشان می دهد و تصویر پایین ساختار دو حلقه ای کامل شده و جدا شده از ORC.

 

پروتئین هایی که منجر به همانند سازی DNA (دلیل اصلی رشد سلولی و تولید مثل) می شوند جزو پیچیده ترین ماشین های کره زمین هستند. فرآیند چند مرحله ای همانند سازی شامل صدها جز متحرک در سطح اتمی می باشد که به سرعت با هم میانکنش داده و تغییر شکل می دهند. نقشه برداری از این ماشین مولکولی متراکم یکی از امیدوار کننده ترین و چالش برانگیزترین پیشرفت ها در زیست شناسی و پزشکی است.

اکنون توجه دانشمندان بطور جدی به مراحل حیاتی در شروع فرآیند همانند سازی جلب شده است. یکی از این موارد بحث برانگیز، خصوصیات ساختاری آنزیمی می باشد که مارپیچ دورشته ای DNA را از هم باز می کند (unzip) و در نتیجه هر رشته می تواند به صورت مجزا به عنوان الگویی برای مضاعف شدن DNA به کار رود.

در این تحقیق از تکنیک های تصویر برداری با میکروسکوپ الکترونی، محلول سازی پروتئین و انجماد شیمیایی استفاده شده تا لحظات خاصی را در شروع همانند سازی مشخص کنند. این بررسی که با کمک گروه های مختلف از آمریکا و اروپا انجام شده است در ماه اکتبر در مجله Genes and Development به چاپ رسیده است.

یکی از نویسندگان این مقاله به نام Hulin Li که زیستشناس دانشگاه Stony Brook می باشد اظهار داشت:

"به وجود آمدن ماشینی که پیچش های DNA را باز می کند بسیار هیجان انگیز و بغرنج است. مشاهده آماده شدن این آنزیم هلیکاز برای احاطه کردن و باز کردن پیچش های DNA در سطح مولکولی به فهم زیربنایی ترین فرآیند حیات و چگونگی امکان به وجود آمدن خطا در آن کمک شایانی می کند. خطاهایی که در تکثیر DNA رخ می دهد در سرطان های خاصی مشاهده شده است و این بررسی ممکن است روزی در به وجود آمدن روش های درمانی جدید که این ماشین را متوقف کرده یا از مسیر خود منحرف کند بسیار کارآمد است."

این بررسی در راستای تحقیقات پیشینی است که به وسیله Li و همکارانش انجام شده. این گروه در ابتدا ساختار "مجموعه شناسایی کننده آغاز" (ORC) را شناسایی کردند. این مجموعه پروتئینی در خود دارد که مکان های خاصی از DNA را شناسایی کرده و به آنها متصل می شود تا آغازگر فرآیند همانند سازی باشد. پس از آن این گروه مشخص کردند که چگونه ORC پروتئین حلقوی (Mcm2-7) دیگری را به کار می گیرد تا در مرکز آنزیم هلیکاز قرار گیرد.

اما همانند سازی DNA یک فرآیند دو طرفه است که در آن دو آنزیم هلیکاز در دو جهت مخالف بر روی هر رشته DNA حرکت می کنند. سوالی که در اینجا مطرح می شود این است که چگونه آنزیم هلیکاز دیگری بر روی DNA در خلاف جهت آنزیم اول به کار گرفته می شود؟

نویسنده اول این مقاله و زیست شناس آزمایشگاه Brookhaven دکتر Jingchuan Sun می گوید:

" ما با شگفتی بسیار متوجه شدیم که ساختار واسطه ای به وجود می آید که یک ORC به دو پروتئین حلقوی متصل می شود. این کشف آشکار ساخت که بر خلاف تصور پیشین، یک ORC هر دو هلیکاز را برای شروع عملکرد وارد میدان می کند."

مدل سه بعدی (بر اساس داده های میکروسکوپ الکترونی) ساختاری با دو حلقه هلیکازی که بر روی مارپیچ DNA قرار می گیرند

 

علاوه بر این، محققان ساختمان مولکولی ساختار دو حلقه ای را نیز پس از خارج شدن ORC از این سیسستم مشخص کردند.

یکی از نویسندگان این مقاله به نام دکتر Christian Speck از Imperial College لندن ابراز می دارد:

"اکنون شواهدی در دست داریم که نشان می دهد چگونه ساختار دو حلقه ای تا زمانی که سلول وارد مرحله سنتز DNA و همانند سازی شود به صورت پایدار باقی می ماند. این مطالعه قواعد تنظیمی کلیدی را آشکار ساخت که نشان می دادند چگونه فعالیت هلیکازی در ابتدا مهار شده و سپس برای جدا سازی دو رشته DNA از یکدیگر فعال می شود."

مراحل کار

این محققان از پروتئین های مخمر نانوایی استفاده کردند. آنها مکانیسم های پروتئینی دخیل در همانند سازی را جداسازی کرده و دیگر ساختار هایی را که ممکن بود در تصویر برداری ایجاد سردرگمی کنند حذف کردند. پس از مخلوط کردن پروتئین ها با DNA مواد شیمیایی خاصی استفاده شد تا در زمان های مشخص ۲، ۷ و ۳۰ دقیقه عملکرد آنها تثبیت و منجمد شوند. سپس با استفاده از میکروسکوپ الکترونی تصاویری با وضوح بالا از مراحل این فرآیند گرفته شد. تصاویر به صورت دو بعدی به کامپیوتر داده شده و به وسیله نرم افزار به صورت سه بعدی تبدیل شد.

دکتر Li در این مورد می گوید:

" این تکنیک به دلیل تصویر برداری از یک پرتئین بزرگ بسیار ایده آل است. یک پروتئین معمولی حاوی ۳۰۰ اسید آمینه می باشد در حالی که ماشین همانند سازی DNA دارای ده ها هزار اسید آمینه است. کل این ساختار ۲۰ نانومتر طول دارد در حالی که یک پروتئین معمولی حدوداً ۴ نانومتر است."

دکتر Li می افزاید:

" شناخت ساختمان این سیستم می تواند به دیگران کمک کند تا مولکول های کوچک را مهندسی کرده و همانند سازی DNA را در زمانی خاص مهار کنند. این کار می تواند منجر به ایجاد روش های جدید درمانی و پیش گیری کننده از بیماری شود."

منبع: Genes and Development

  • نویسنده : سامان میلانی زاده
  • تاریخ انتشار : ۰۷-۰۸-۹۳