Sprytne sztuczki DNA – Ars Technica

Każda osoba zaczyna jako pojedyncze zapłodnione jajo. W wieku dorosłym ta pojedyncza komórka zmieniła się w około 37 bilionów komórek, z których wiele nadal się dzieli, aby co kilka miesięcy wytwarzać taką samą liczbę nowych ludzkich komórek.

Ale te komórki stają przed ogromnym wyzwaniem. Należy skopiować średnią podzieloną komórkę 3,2 jeden bilion par zasad DNA mniej więcej raz na 24 godziny. Mechanizm replikacji komórki wykonuje niesamowitą pracę, kopiując materiał genetyczny z fragmentaryczną szybkością około 50 par zasad na sekundę.

Jednak replikacja pliku a ludzkie geny. Jeśli mechanizm kopiujący komórki rozpocznie się jednocześnie na czubku każdego z jej 46 chromosomów, dokończy najdłuższy chromosom – nie. 1, przy 249 milionach par zasad – w około dwa miesiące.

mówi James Berger, biolog strukturalny z Johns Hopkins University School of Medicine w Baltimore i współautor Esej o replikacji DNA u eukariontów W Biochemistry Annual Review 2021. Komórki drożdży mają setki potencjalnych źródeł reprodukcyjnych, jak się je nazywa, a zwierzęta, takie jak myszy i ludzie, mają ich dziesiątki tysięcy, rozsianych po całym genomie.

„Ale to stanowi własne wyzwanie, a mianowicie skąd wiesz, od czego zacząć i jak wszystko zaplanować?”, Mówi Berger. Bez starannej kontroli niektóre DNA mogą zostać skopiowane dwukrotnie, powodując szał komórkowy.

Utrzymanie ścisłej kontroli nad procesem replikacji DNA jest szczególnie ważne, aby uniknąć tego zamieszania. Obecnie naukowcy podejmują kroki w kierunku pełnego zrozumienia kontroli i równowagi molekularnej, które wyewoluowały, aby upewnić się, że każdy rodzic zaczyna kopiować DNA tylko raz, aby dokładnie wytworzyć nowy, kompletny genom.

Zrób to dobrze, zrób to szybko

Jeśli replikacja nie rozpocznie się prawidłowo, mogą się zdarzyć złe rzeczy. Aby DNA mogło zostać skopiowane, podwójna helisa DNA musi się otworzyć, a powstałe pojedyncze nici – z których każda służy jako szablon do budowy nowej drugiej nici – są podatne na pękanie. Lub proces może się zawiesić. „Naprawdę chcesz szybko rozwiązać problem redundancji” — mówi John Devley, biochemik z Francis Crick Institute w Londynie. Problemy podczas replikacji DNA mogą powodować dezorganizację genomu, co często jest niezbędnym krokiem na drodze do raka.

Niektóre choroby genetyczne są również spowodowane Problemy z replikacją DNA. Na przykład zespół Meyera-Gorlina, który obejmuje niski wzrost, małe uszy i małe lub brak rzepek kolanowych, jest spowodowany mutacjami w kilku genach, które pomagają rozpocząć proces replikacji DNA.

Potrzeba ściśle skoordynowanego tańca dziesiątek białek, aby mechanizm replikacji DNA rozpoczął replikację we właściwym momencie cyklu życiowego komórki. Naukowcy mają całkiem niezłe pojęcie o tym, które białka co robią, ponieważ byli w stanie sprawić, by replikacja DNA zachodziła w bezkomórkowych mieszaninach biologicznych w laboratorium. Naśladują pierwsze krytyczne kroki inicjowania replikacji używając białek z drożdży– tego samego rodzaju, którego używa się do produkcji chleba i piwa – i naśladują wiele z całego procesu replikacji Wykorzystanie ludzkich kopii białek replikacyjnychRównież.

Komórka kontroluje inicjację replikacji DNA w dwuetapowym procesie. Cały sens tego procesu polega na kontrolowaniu działania kluczowego enzymu – zwanego helikazą – który rozwija podwójną helisę DNA w ramach przygotowań do jego transkrypcji. W pierwszym etapie nieaktywne helikazy są ładowane na DNA w miejscu początku, gdzie rozpoczyna się replikacja. Podczas drugiego etapu aktywowana jest helikaza w celu odkodowania DNA.

Gotowe (pobierz helicase)…

Proces rozpoczyna się od grupy sześciu białek znajdujących się na początku. Ta grupa nazywa się ORC W formie dwuwarstwowego pierścienia Zespół Bergera odkrył, że ma poręczną szczelinę, która pozwala mu wsunąć się w nici DNA.

W drożdżach piekarniczych, ulubionych przez naukowców badających replikację DNA, te miejsca startowe są łatwe do wykrycia: zawierają specyficzną podstawową sekwencję DNA o długości od 11 do 17 liter, bogatą w zasady chemiczne adeninę i tyminę. Naukowcy obserwowali, jak ork chwyta DNA, a następnie ślizga się, Znajdź sekwencję pochodzenia Dopóki nie znajdzie odpowiedniego miejsca.

Ale u ludzi i innych złożonych form życia miejsca inicjacji nie są jasno określone i nie jest do końca jasne, co powoduje, że ork łamie się i trzyma, mówi Alessandro Costa, biolog strukturalny z Crick Institute, który wraz z Devleyem napisał: O inicjacji replikacji DNA W Annual Review of Biochemistry 2022. Wydaje się prawdopodobne, że replikacja rozpocznie się w miejscach, w których genom – zwykle ciasno owinięty wokół białek zwanych histonami – rozluźnił się.

Gdy ORC spocznie na DNA, przyciąga drugi kompleks białkowy: taki, który zawiera helisę, która ostatecznie rozwinie DNA. Costa i współpracownicy użyli mikroskopii elektronowej, aby zobaczyć, jak wykorzystuje się orków Wabi najpierw jedną helikazę, potem drugą. Helikaza ma również kształt pierścienia, a każda z nich rozwija się, aby owinąć się wokół dwuniciowego DNA. Następnie dwie płaszczyzny ponownie się zamykają, zwrócone ku sobie na niciach DNA, jak dwa koraliki na sznurku.

Na początku po prostu tam siedzą, jak samochody bez benzyny w baku. Nie została jeszcze aktywowana, aw tej chwili komórka wykonuje swoją zwykłą pracę.

Zdobądź zestaw (Aktywacja Helicase)…

Wszystko zaczyna się bardzo szybko, gdy ważna cząsteczka o nazwie CDK macha zieloną flagą, wywołując skok w krokach chemicznych, które przyciągają więcej białek. Jednym z nich jest polimeraza DNA – którą Costa nazywa „maszyną do pisania”, która zbuduje nowe nici DNA – która przyczepia się do każdej helikazy. Inne aktywują helikazy, które mogą teraz spalać energię, aby płynąć wzdłuż DNA.

Kiedy tak się dzieje, zmienia kształt helikaz, popychając jedną nić DNA i ciągnąc drugą. Stwarza to nacisk na słabe wiązania wodorowe, które normalnie utrzymują dwie nici razem za pomocą zasad – As, Cs, Ts i Gs, które tworzą szczeble drabiny DNA. Kępki są rozdarte. Costa i jego koledzy obserwowali, jak wyglądały te dwa helikoptery rozszyfrować DNA między nimiWidzieli też, jak samoloty utrzymują niezwiązane bazy stabilnie i na uboczu.

On idzie!

Na początku oba stany były owinięte wokół obu nici DNA i nie mogły sięgać tak daleko, ponieważ znajdowały się naprzeciw siebie i wpadały na siebie. Ale potem oboje przechodzą repozycję, wypluwając jedną nić DNA lub drugą poza pętlę. Teraz rozdzieleni mogą gromadzić się na sobie, a replikacja postępuje szybko.

Każdy silnik helicase porusza się wzdłuż własnego, indywidualnego gwintu, w kierunku przeciwnym do drugiego. Pozostawiają pochodzenie za sobą i oddalają się od par zasad związanych wiązaniami wodorowymi podczas podróży. Polimeraza DNA jest tuż za nim, transkrybując litery DNA, gdy są one uwalniane od swoich partnerów.

Drugim zadaniem CDK jest zapobieganie wskakiwaniu innych samolotów na aktywa. Tak więc dla każdego rodzica występuje jeden początek replikacji, co zapewnia prawidłową transkrypcję genomu – mimo że transkrypcja nie rozpoczyna się w tym samym czasie w każdym miejscu. Cały proces replikacji DNA w ludzkich komórkach trwa około ośmiu godzin.

Jest jeszcze wiele do zrobienia. Po pierwsze, kopiowane DNA nie jest nagą podwójną helisą. Jest owinięty wokół histonów i przyczepiony do wielu innych białek, które biorą udział w włączaniu i wyłączaniu genów Twórz kopie genów RNA. W jaki sposób te białka strumieniowe wpływają na siebie nawzajem i unikają konfliktów?

Oprócz tej fascynującej podstawowej biologii – fascynującego procesu, który jest niezbędny dla wszelkiego życia na Ziemi – istnieją implikacje dla chorób takich jak rak. Naukowcy już wiedzą, że wadliwa replikacja może zdestabilizować DNA, a niestabilny genom podatny na mutacje może być wczesnym znakiem rozpoznawczym rozwoju raka. złudzenie Dalsze dochodzenie Powiązania między białkami replikacyjnymi a rakiem.

„Myślę, że istnieją możliwości interwencji terapeutycznych dla tych systemów”, mówi Berger, „kiedy uzyskamy wystarczający wgląd w to, jak działają i jak wyglądają”.

Bursztynowy taniec, pisarz naukowy z okolic Los Angeles, również lubi dzielić duże zadania na mniejsze części: Przygotowanie tego artykułu zajęło mi pięć dni. Ten artykuł pierwotnie ukazał się w Znany magazyn, niezależne przedsięwzięcie dziennikarskie z Annual Review. Zapisać się wiadomości.