a) یک ساختار پیچیده حاوی Mus81(فیروزه ای)-Eme1(صورتی) که به انتهای '۳ DNA متصل شده است. رشته DNA بریده شده به رنگ زرد نشان داده شده و انتهای '۵ (نارنجی) در ناحیه اتصال '۵ ( نقطه های آبی) مشخص شده است. b) چرخش ۹۰ درجه ای تصویر a
آسیب DNA یک واقعیت روزمره در حیات جانداران است. در یک روز معمولی DNA یک ارگانیسم می تواند بین ۱۰۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰۰۰ شکست یا دیگر آسیب ها را تجربه کند. این مشکلات به وسیله آنزیم هایی درون سلول رفع می شود که شکست ها را ترمیم کرده، خطا ها را برداشته و سلامت ژنوم را حفظ می کنند. یکی از این آنزیم های ترمیم کننده DNA، مانند قیچی عمل کرده و DNA را در ناحیه آسیب دیده بریده و پیچیدگی هایی که هنگام به وجود آمدن مشکل ایجاد شده اند را رفع می کند. این عمل باید با دقت بسیار بالایی انجام شود تا رمز ژنتیکی DNA حفظ شده و جهشی در آن ایجاد نشود.
دانشمندان دانشگاه علوم و تکنولوژی کره جنوبی به همراه آزمایشگاه ملی Argonne در آمریکا از کریستالوگرافی مولکولی استفاده کردند تا ساختار و عملکرد یکی از این پروتئین های قیچی مولکولی (molecular scissors) به نام Mus81-Eme1 را در اتصال با DNA کشف کنند. بررسی آنها روش خاصی را که این آنزیم برای شناسایی، مکان یابی و برش DNA به کار می برد مشخص کرد و همچنین نشان داد چگونه از ایجاد یک پیچش جدید در دو انتهای DNA جلوگیری می کند. یافته های آنها درک ما را نسبت به ترمیم DNA بالا برده و کاربردهای جدیدی را در زمینه های تولید مثل، سرطان و پیری فراهم می آورد.
بیشتر ژنهایی که بر روی زندگی تاثیر گذار شناخته شده اند در ترمیم DNA نقش دارند. اگر شکست ها و دیگر آسیب های DNA ترمیم نشوند اثرات مضر آنها بر روی بیان طبیعی ژن و تقسیم سلولی می تواند منجر به ایجاد بیماری شود.
گونه ای از آنزیم ها که در ترمیم DNA نقش داشته و مانند قیچی های مولکولی عمل می کنند اندونوکلئاز (endonuclease) نامیده می شوند. Mus81-Eme1 یکی از اعضای خانواده اندونوکلئازی است که ساختار های خاص را شناسایی کرده و مسئول بازکردن پیچیدگی های DNA حاصل از آسیب می باشد. این پیچیدگی ها به صورت دو نوع '۵ و '۳ بسته به جهتی که شکست بر روی رشته DNA اتفاق افتاده است، تقسیم بندی می شوند.
محققان در این تحقیق به دنبال این نکته بودند که چرا اندونوکلئاز Mus82-Eme1 تنها انتهای '۳ را شناسایی کرده و برش می زند و با انتهای '۵ کاری ندارد. برای رسیدن به این هدف آنها Mus81-Eme1 را در ترکیب با قطعات کوچک DNA از سمت '۳ یا '۵ کریستاله کردند و داده های پراکنش نور این کریستال ها را در آزمایشگاه ثبت کردند.
همانطور که انتظار می رود، به عنوان آنزیمی که کار مهمی مانند ترمیم DNA را بر دوش دارد، Mus81-Eme1 وظیفه خود را با دقت و ظرافت خاصی انجام می دهد. این گروه ساختار های Mus81-Eme1 را در ترکیب با انتهای '۵ و انتهای '۳ از DNA، مورد بررسی قرار دادند. بررسی انتهای '۵ نشان داد که DNA می تواند به Mus81-Eme1 متصل شود اما هیچ برشی در آن رخ نمی دهد. مشاهداتی که از انتهای '۳ انجام شد بیان کننده دلیل این واقعیت بود.
هنگامی که Mus81-Eme1 به انتهای '۳ از DNA متصل می شود تغییر ساختاری عظیمی در آن اتفاق می افتد و از یک حالت فشرده به یک ساختار باز تبدیل می شود. این تغییر باعث آشکار شدن بخشی از پروتئین می شود که همانند یک گوه، دو انتهای برش خورده را از هم دور نگه می دارد. انتهای برش نخورده '۵ به وسیله یک شیار اتصالی اختصاصی از وارد شدن به این واکنش جدا نگه داشته می شود.
سپس DNA ،Mus81-Eme1 را خم می کند تا انتهای '۳ در موقعیت فعال آنزیم قرار گیرد. از لحاظ بیوشیمیایی انتهای ۵’ فعالیتی نخواهد داشت زیرا انتهای آزاد '۳ نمی توانند وارد شیار اتصالی شود و در نتیجه انتهای '۵ از موقعیت فعال آنزیم دور نگه داشته می شود.
این گروه مدل خود را به وسیله دو روش ارزیابی کردند. در ابتدا آنها فعالیت کاهش یافته آنزیم را در سویه های جهش یافته Mus81-Eme1 بر پایه مشاهدات ساختاری تایید کردند. در مرحله دوم آزمایشاتی که در آن هر دو انتهای DNA به وسیله فلوروسنت نشان گذاری شده بود را انجام دادند. آنها مشاهده کردند که اضافه شدن Mus81-Eme1 منجر به نزدیک شدن دو انتهای DNA به هم می شود که تایید کننده فرضیه خم شدن DNA است.
به دلیل اینکه اندونوکلئاز هایی مانند Mus81-Eme1 مسئول ترمیم پیچیده ترین آسیب های DNA هستند، در صورت به وجود آمدن مشکل در عملکرد این آنزیم ها بیماری های ژنتیکی مهمی می توانند بروز کنند. قدم بعدی این گروه مطالعه ساختارهای دیگر اعضای این خانواده اندونوکلئازی می باشد، مانند آنزیمی که در ابتلا به بیماری کم خونی فانکونی (Fanconi anemia) نقش دارد. این بررسی می تواند منجر به یافتن راه های جدیدی برای درمان این بیماری شود.
منبع: EMBO