حل معمای رونویسی DNA

حل معمای رونویسی DNA

پیش از انجام رونویسی RNA از روی DNA (مرحله اولیه تبدیل الگوی ژنتیکی به پروتئین) هسته باید ماشین مولکولی را به نام ترکیب پیش آغازین (PIC) ایجاد کند تا بتواند مارپیچ مضاعف را به صورت تک رشته ای درآورده و DNA را در دسترس آنزیم رونویسی قرار دهد.

قطعات متعدد PIC در هسته متراکم پراکنده شده و با DNA، پروتئین و دیگر مولکول‌های زیستی بسته بندی می‌شوند. آنزیم‌ها و عوامل رونویسی باید راه خود را به سمت مکان رونویسی یافته و با اتصالات ضعیف و شکننده به صورتی یک ماشین کارا در سلول زنده تبدیل شوند. تجمع این اجزا می‌تواند در کمتر از یک ثانیه اتفاق بیافتد.

نه تنها برای رونویسی بلکه در بیشتر فرآیند‌های حیاتی سلول، اتصالات ضعیف و شکننده برای پیش بردن فرآیند به سختی عمل می‌کنند. در این اتصالات مولکول‌های زیستی به راحتی متصل شده و از هم جدا می‌شوند و می‌توانند به سرعت در پاسخ به نیازهای سلول تغییر کنند. اما چگونگی عملکرد دقیق این اتصالات یک معما می‌باشد.

پروفسور Ibrahim Cisse استاد فیزیک به دنبال حل این معما در یک سلول زنده و با دنبال کردن مولکول‌های پشت سر هم است. او می‌گوید:

" احتمالا این یکی از مثال‌های بسیار بارز در طبیعت است که در آن میانکنش مولکول‌های زیستی منجر به اتفاقی می‌شود که هنوز از آن اطلاع کافی نداریم."

رونویسی، مولکول به مولکول

برای اینکه Cisse بتواند رونویسی را مرحله به مرحله دنبال کند او مجبور بود محدودیت‌های روش‌های موجود برای بررسی مولکول‌های زیستی را بر طرف سازد. روش‌های بیوشیمیایی که مولکول‌ها را در لوله آزمایش جدا کرده یا آنها را در سلول‌های فیکس شده نشان گذاری می‌کند شرایطی را که برای وجود اتصالات سست لازم است از میان برمی‌دارد. میکروسکوپ نوری می‌تواند این شرایط را حفظ کند، اما مولکول‌های زیستی آنقدر کوچک هستند و در اتصالات به قدری به یکدیگر نزدیک می‌شوند که بیشتر از قدرت تفکیک این میکروسکوپ (۲۰۰ نانومتر) است.

در عوض Cisse از ابزار فیزیکی استفاده کرد تا فرآیند رونویسی را با تفکیک پذیری بالایی مشخص سازد. به عنوان مثال، او از یک تکنیک جدید تصویربرداری فلوروسنت به نام ذره نگاری منطقه ای فعال شده به وسیله نور (photoactivation localizationmicroscopy یا PALM) استفاده کرد. روش PALM پروتئین‌های نشان دار شده فلوروسنت را به صورت تصادفی فعال کرده و سپس با استفاده از یک الگوریتم آماری مکان دقیق هر پروتئین را با دقت نانومتری درون هر پیکسل از نور مشخص می‌کند. هنگامی ‌که Cisse این فرآیند را با سرعت زیاد و در حجم بالا تکرار کرد، توانست مکان دقیق مولکول‌های زیستی نشاندار شده را وقتی که در مکان رونویسی تجمع پیدا می‌کردند تصویر برداری کند یا مسیر یک عامل رونویسی را هنگامی ‌که در طول هسته در حرکت بود ردیابی کند. علاوه بر این با ایجاد یک روش وابسته به زمان که با این روش همراه شده بود به نام tcPALM او توانست برای اولین بار به مکانیسم حرکتی این تجمع پروتئینی دسترسی پیدا کند.

اخیرا Cisse از tcPALM استفاده کرد تا نشان دهد آنزیم رونویسی RNA پلیمراز ۲ (Pol II) تنها چند ثانیه پس از شروع رونویسی به این مجموعه اضافه می‌شود. نتایج به دست آمده خیره کننده بود و نشان می‌داد چندین دقیقه طول می‌کشد تا یک RNA کامل سنتز شود. هنگامی‌که Cisse درست پیش از تصویربرداری این فرآیند را مهار کرده و سپس مجددا فعال ساخت متوجه شده که Pol II به صورت غیر معمولی در غلظت بالا تجمع می‌یابد. هنگامی ‌که او Pol II را مهار ساخت تا از پروموتر جدا نشده و رونویسی DNA را ادامه دهد، تجمع Pol II در اطراف پروموتر پراکنده نمی‌شد.

به دلیل روشی که سلول از اتصالات سست و گذرا برای تنظیم رونویسی استفاده می‌کرد، Cisse فرض کرد که تجمع Pol II با شروع رونویسی و جدا شدن از پروموتر همراه است. در مطالعات پیشین دانشمندان نشان داده بودند که هنگامی‌که Pol II با ناحیه پروموتر اتصال برقرار می‌کند تنها می‌تواند منجر به تولید  یک ترکیب پیش آغازین شود که RNA را یک درصد سنتز می‌کند. Cisse فکر کرد این کارایی ممکن است نکته مثبتی باشد: به جای اینکه هر برخورد یک پلیمراز و پروموتر منجر به یک ژن فعال شود سلول از تجمع پروتئین‌ها و دیگر مکانیسم‌های استفاده می‌کند تا محل و زمان شروع رونویسی را با توجه به نیاز تنظیم کند.

منبع: eLife