دانشمندان ساختار آسیب DNA “اولین پاسخ دهنده” را تعیین می کنند –

آنچه در این قیاس به دست نمی آید این واقعیت است که DNA ما برای حفظ یکپارچگی خود نیاز به نگهداری مداوم دارد. اگر ماشین‌های اختصاصی تعمیر DNA که به طور معمول اشتباهات را برطرف می‌کنند نبود، اطلاعات درون DNA به سرعت تخریب می‌شد.

این ترمیم در نقاط بازرسی چرخه سلولی اتفاق می افتد که در پاسخ به آسیب DNA فعال می شوند. مانند یک عامل تضمین کیفیت در خط مونتاژ، پروتئین هایی که در نقطه بازرسی آسیب DNA شرکت می کنند، DNA سلول را از نظر اشتباه ارزیابی می کنند و در صورت لزوم، تقسیم سلولی را متوقف می کنند و تعمیرات را انجام می دهند. هنگامی که این ایست بازرسی خراب می شود – که می تواند در نتیجه جهش های ژنتیکی اتفاق بیفتد – آسیب DNA ایجاد می شود و نتیجه اغلب سرطان است.

اگرچه دانشمندان در طول 50 سال گذشته چیزهای زیادی در مورد آسیب و ترمیم DNA آموخته اند، سوالات مهم مهمی باقی مانده است. یکی از معماهای آزاردهنده این است که چگونه یک پروتئین ترمیم کننده به نام گیره 9-1-1 – یک آسیب DNA “اولین پاسخ دهنده” – خود را به محل یک رشته DNA شکسته متصل می کند تا نقطه بازرسی آسیب DNA را فعال کند.

دیرک ریموس، زیست شناس مولکولی در مؤسسه اسلون کترینگ (SKI) که اصول تکثیر و ترمیم DNA را مطالعه می کند، می گوید: «ما می دانیم که این اتصال یک گام اساسی برای شروع یک برنامه ترمیم مؤثر ضروری است. اما مکانیسم های درگیر کاملا مبهم هستند.»

اکنون به لطف همکاری بین آزمایشگاه دکتر ریموس و ریچارد هیت، زیست شناس ساختاری SKI، تصویر واضحی از نحوه استفاده از گیره 9-1-1 در محل های آسیب DNA به دست آمده است. نتایج، که خرد متعارف در این زمینه را به چالش می کشد، در 21 مارس 2022 در مجله منتشر شد. زیست شناسی ساختاری و مولکولی طبیعت.

تخصص تکمیلی نتایج شگفت انگیزی به همراه دارد

اکتشافات شگفت انگیز از همکاری بین دو آزمایشگاه با تخصص مکمل به وجود آمد. آزمایشگاه دکتر ریموس از روش های بیوشیمیایی برای مطالعه روند همانند سازی و ترمیم DNA استفاده می کند. هدف اولیه تحقیقات او در چند سال گذشته، بازسازی کل فرآیند همانند سازی و ترمیم DNA در یک لوله آزمایش، جدا از سلول اطراف بوده است.

در نتیجه این تلاش، آزمایشگاه او چندین جزء از ماشین آلات تعمیر را خالص سازی کرده است، از جمله پروتئین های 9-1-1 و پروتئین هایی که اتصال 9-1-1 به DNA را تسهیل می کنند.

دکتر ریموس متوجه شد که اگر بتوان این مجتمع‌ها را با وضوح اتمی مشاهده کرد، مجموعه‌ای از تصاویر فریم فریم از مراحل منفرد در فرآیند تعمیر ارائه می‌کنند. آن موقع بود که برای کمک به آزمایشگاه دکتر هیت مراجعه کرد.

من گفتم، ما این مجتمع را داریم، آیا می‌توانید به ما کمک کنید تا ساختار مولکولی آن را تعیین کنیم تا بفهمیم چگونه کار می‌کند؟ و این کاری است که او انجام داد.”

دکتر هایت یک زیست شناس ساختاری است که در استفاده از تکنیکی به نام میکروسکوپ الکترونی کریو (cryo-EM) تخصص دارد، که مطالعه پروتئین ها و مجموعه های پروتئین را با تجسم حرکات دانه ریز آنها در وضوح هایی که می تواند موقعیت آمینوهای فردی را آشکار کند امکان پذیر می کند. اسیدهای موجود در پروتئین ها بسیار شبیه چرخ دنده ها و اهرم های یک ماشین، این حرکات اسیدهای آمینه است که به پروتئین ها اجازه می دهد تا به عنوان اسب های کار سلول، از جمله آنهایی که DNA را ترمیم می کنند، عمل کنند.

دکتر هیت می‌گوید: «وقتی دیرک به سراغ ما آمد، متوجه شدیم که بسیاری از ابزارهایی که آزمایشگاه ما در چند سال گذشته توسعه داده است برای پاسخ به این سؤال کاملاً مناسب است. با استفاده از Cryo-EM، ما می‌توانیم نه تنها یک ساختار، بلکه مجموعه‌ای از ساختارها را تعیین کنیم. با کنار هم قرار دادن این ساختارها در یک الگوی منطقی، بر اساس داده‌های جدید و داده‌های بیوشیمیایی قبلی، می‌توانیم پیشنهادی برای این گیره چگونه کار می کند.”

آنها این کار را کردند و نتایج شگفت آور بود.

دکتر هیت می‌گوید: «مدلی که ما توسعه دادیم ویژگی‌های جالبی داشت که با آنچه قبلاً تصور می‌شد با روش بارگذاری این نوع گیره‌ها بر روی DNA در تضاد بود.

دکتر ریموس می افزاید: «زمانی که ریچ برای اولین بار این سازه را تولید کرد، فکر کردم که او اشتباه کرده است زیرا برخلاف تمام انتظارات بود. اکنون، در آینده، همه چیز کاملاً منطقی است.

مدلی جدید برای باز و بسته کردن گیره DNA در اطراف DNA

گیره 9-1-1 به شکل حلقه است. برای انجام عملکرد خود، باید DNA شکسته را در محل اتصال بین انتهای آشکار یک رشته از یک قطعه DNA دو رشته ای که در کنار یک رشته تک رشته ای قرار دارد، احاطه کند. در نتیجه، ساختار حلقه گیره 9-1-1 باید باز شود تا DNA تک رشته ای به مرکز گیره چرخیده و سپس دوباره در اطراف آن ببندد. این خود به خود اتفاق نمی افتد، بلکه توسط یک مجتمع پروتئینی دیگر به نام کمپلکس clamp loader تسهیل می شود.

دکتر رموس می‌گوید: «از تمام مطالعات قبل از این تصور می‌شد که گیره‌ها به روش واشر قفلی باز می‌شوند، جایی که اساساً دو انتهای باز گیره خارج از صفحه می‌چرخند و شکاف باریکی ایجاد می‌کنند». اما چیزی که ریچ مشاهده کرد این است که گیره 9-1-1 بسیار بیشتر از حد انتظار باز می شود و کاملاً در سطح باز می شود — هیچ پیچشی مانند سناریوی قفل واشر وجود ندارد.

دانشمندان خاطرنشان می کنند که مدل قفل شوینده دو دهه است که وجود داشته است و الگوی راهنما در این زمینه برای نحوه بارگیری یک گیره در اطراف DNA بوده است. اما در این مورد، اشتباه است.

شگفتی دیگر این بود که کمپلکس گیره لودر 9-1-1 مشاهده شد که DNA را در جهت مخالف دیگر کمپلکس های کلمپ لودر که در طول تکثیر طبیعی DNA روی DNA آسیب دیده عمل می کنند، متصل می کند. این مشاهدات توضیح داد که چگونه 9-1-1 به طور خاص برای مکان های آسیب DNA به کار گرفته می شود.

از تحقیقات پایه تا ترجمه

دکتر ریموس فکر می‌کند جدای از ارائه پاسخ قانع‌کننده‌ای به یک معمای بیولوژیکی اساسی، این تحقیق ممکن است در نهایت به داروهای بهتری برای سرطان منجر شود.

بسیاری از داروهای شیمی درمانی موجود با تداخل در تکثیر DNA سلول های سرطانی و ایجاد نوع آسیب DNA که معمولاً توسط فرآیندهای ترمیم ایجاد شده توسط گیره 9-1-1 رفع می شود، کار می کنند. از آنجایی که سلول های سرطانی در حال حاضر توانایی کمتری برای ترمیم آسیب DNA دارند، افزودن داروهای شیمی درمانی آسیب رسان به DNA می تواند توانایی سلول ها را برای تثبیت DNA خود تحت تأثیر قرار دهد و بنابراین می میرند. (برای مثال داروهایی به نام مهارکننده های PARP اینگونه عمل می کنند.)

با این دانش جدید در مورد نحوه تعامل 9-1-1 با سایر پروتئین های ترمیم کننده و با DNA، دانشمندان به طور بالقوه می توانند داروهایی طراحی کنند که به طور خاص با این مرحله از فرآیند ترمیم تداخل داشته باشند و داروهای شیمی درمانی را حتی موثرتر کنند.

دکتر هیت می گوید: «یکی از چیزهای عالی در مورد کار در اینجا در SKI این است که تحقیقات یک دانشمند پایه می تواند نقطه شروع مطالعات ترجمه ای باشد که در نهایت منجر به درمان های بهتر می شود.

این تحقیق تا حدی توسط مؤسسه ملی بهداشت (NIH-NCI Cancer Center Support Grant P30 CA008748، NIGMS R01-GM107239، NIGMS R01-GM127428)، Deutsche Forschungsgemeinschaft، و برنامه محققان جوزی رابرتسون تأمین شده است. نویسندگان مطالعه اعلام می‌کنند که هیچ منافع رقابتی ندارند.