طول ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ جفتبازی: قطعات اوکازاکی چگونه مشکل رشته پیرو را در همانندسازی دیانای حل میکنند
آنزیم دیانای پلیمراز تنها میتواند مواد ژنتیکی جدید را در یک جهت بسازد، و این محدودیت سلول را وادار میکند تا نیمی از ژنوم خود را بهصورت وارونه و در قطعات کوتاه و ناپیوسته سنتز کند. کشف و نقشهبرداری از این قطعات توضیح میدهد که چگونه سلولها میلیاردها جفتباز را بدون بر جای گذاشتن شکافهای کشنده همانندسازی میکنند.
به قلم ندا وزیری
این خبر را به اشتراک بگذارید
- زیستشناسان ساختاری
- تمرکز بر مکانیک فیزیکی و برخوردهای آنزیمی که جابهجایی پلیمراز را کنترل میکنند.
- ژنتیکدانان مولکولی
- تأکید بر اینکه چگونه بلوغ قطعه با مونتاژ نوکلئوزوم برای حفظ حافظه اپیژنتیکی همراه است.
- پژوهشگران انکولوژی
- ماشین رشته پیرو را عمدتاً به عنوان یک آسیبپذیری میبینند که میتوان از آن برای درمانهای سرطان بهرهبرداری کرد.
آنزیم سلولی دیانای پلیمراز قوانین تکثیر ژنوم را دیکته میکند و تنها توانایی افزودن نوکلئوتیدها در جهت '۵ به '۳ (پنج پریم به سه پریم) را دارد. هنگامی که یک سلول انسانی وارد فاز S از چرخه تقسیم خود میشود، این سختگیری جهتی، ماشین سلولی را در یک تنگنای مکانیکی قرار میدهد: باید دو رشته ضد موازی دیانای را بهطور همزمان کپی کند، اما تنها میتواند روی یکی از آنها بهراحتی حرکت کند. راهحل این محال هندسی، یک فرآیند منقطع و پر از توقف و حرکت است که میلیونها قطعه دیانای ناپیوسته تولید میکند؛ قطعاتی که پیش از تقسیم سلول باید بهطور بینقصی به یکدیگر دوخته شوند.[3]
بخش پیوسته این عملیات، که به عنوان رشته پیشرو شناخته میشود، همزمان با باز شدن مارپیچ دوگانه، دو راهی همانندسازی را بهطور یکپارچه دنبال میکند. سمت مقابل، یعنی رشته پیرو، باید بهصورت وارونه و در خلاف جهت پیشروی دو راهی سنتز شود. برای انجام این کار، سلول از یک آنزیم پرایماز استفاده میکند تا یک توالی آغازگر کوتاه آرانای متشکل از ۱۰ تا ۱۲ نوکلئوتید را قرار دهد. سپس دیانای پلیمراز این پرایمر را برای مسافت کوتاهی گسترش میدهد و پیش از جدا شدن، به سمت دو راهی در حال باز شدن به عقب میپرد تا قطعه بعدی را آغاز کند.[4]
این قطعات ناپیوسته به نام قطعات اوکازاکی شناخته میشوند، که به افتخار ریجی و تسونکو اوکازاکی که برای نخستین بار در سال ۱۹۶۸ این مکانیسم را نقشهبرداری کردند، نامگذاری شدهاند. این پژوهشگران در مقاله برجسته خود در نشریه آکادمی ملی علوم، «ناپیوستگی احتمالی و ساختار ثانویه غیرمعمول زنجیرههای تازهسنتزشده» را مشاهده کردند و ثابت نمودند که رشته پیرو به جای یک نخ یکپارچه، در قطعاتی مجزا ساخته میشود. این کشف، یک پارادوکس بزرگ در زیستشناسی مولکولی را که از زمان کشف مارپیچ دوگانه پابرجا بود، حل کرد.[1][2]
ابعاد فیزیکی این قطعات در سراسر درخت حیات بهشدت متفاوت است. در ارگانیسمهای پروکاریوتی مانند اشریشیا کلی، طول قطعات اوکازاکی بین ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ جفتباز است. در سلولهای یوکاریوتی، از جمله بافت انسان، این قطعات بهشدت کوتاه شده و بین ۱۰۰ تا ۲۰۰ جفتباز هستند. این طول کوتاهتر تصادفی نیست؛ بلکه دقیقاً با مقدار دیانای مورد نیاز برای پیچیدن به دور یک نوکلئوزوم منفرد مطابقت دارد؛ نوکلئوزوم واحد پایهای بستهبندی دیانای است که اجازه میدهد دو متر ماده ژنتیکی درون یک هسته میکروسکوپی جای بگیرد.[1][3]
پردازش این قطعات نیازمند یک مسابقه امدادی آنزیمی بسیار هماهنگ است. هنگامی که پلیمراز یک قطعه را به پایان میرساند، یک اندونوکلئاز فلپ به نام FEN1 باید پرایمر موقت آرانای را که توالی را آغاز کرده بود، بهدقت برش دهد. پس از این برش، دیانای لیگاز شکاف باقیمانده را میبندد و یک پیوند فسفودیاستر دائمی ایجاد میکند. در سراسر ۳ میلیارد جفتباز ژنوم انسان، این رویداد اتصال باید تقریباً ۵۰ میلیون بار در طول یک چرخه سلولی منفرد رخ دهد.[5][6]
پردازش این قطعات نیازمند یک مسابقه امدادی آنزیمی بسیار هماهنگ است.
حجم عظیم این رویدادهای اتصال، یک آسیبپذیری ساختاری گسترده را به همراه دارد. اگر FEN1 نتواند پرایمر را بهدقت برش دهد، یا اگر لیگاز یک اتصال را از دست بدهد، سلول با یک شکستگی تکرشتهای مواجه میشود. در صورت عدم ترمیم، این شکافهای میکروسکوپی در طول چرخه تقسیم بعدی، دو راهی همانندسازی را بهطور کامل فرو میریزند؛ اتفاقی که محرک اصلی ناپایداری ژنومی مشاهدهشده در کارسینومهای مراحل اولیه و پیری سلولی است.[8]
با مقایسه طول قطعات ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ جفتبازی در باکتریها با طولهای ۱۰۰ تا ۲۰۰ جفتبازی در یوکاریوتها، حساب و کتاب خطر همانندسازی روشن میشود. ماشین سلولی یوکاریوتی باید در مقایسه با پروکاریوتها، تقریباً ۱۰ تا ۲۰ برابر بیشتر رویدادهای اتصال و حذف پرایمر را در هر مگاباز از دیانای همانندسازیشده انجام دهد. این فراوانی بیشتر، خطر پایه شکستگیهای تکرشتهای را در طول تقسیم سلول انسانی بهطور قابلتوجهی افزایش میدهد و در واقع، سرعت سنتز قطعات طولانی باکتریایی را با تنظیمات دقیق اپیژنتیکی مورد نیاز ارگانیسمهای پیچیده مبادله میکند.[1][3][10]
بلوغ این قطعات ارتباط تنگاتنگی با نحوه بازسازی معماری کروماتین توسط سلول دارد. پژوهش منتشرشده در نشریه eLife نشان میدهد که کمپلکس فاکتور مونتاژ کروماتین-۱ (CAF-1) مستقیماً در پی دو راهی همانندسازی حرکت میکند. همزمان با بسته شدن قطعات اوکازاکی، CAF-1 بلافاصله پروتئینهای هیستون را روی دیانای تازه قرار میدهد و تضمین میکند که حافظه اپیژنتیکی سلول (برچسبهای شیمیایی که به یک سلول کبد میگویند سلول کبد باقی بماند) در کنار کد ژنتیکی آن حفظ شود.[7]
با وجود دههها مطالعه، زمانبندی دقیق جابهجایی پلیمراز تا همین اواخر مبهم باقی مانده بود. یک تحلیل ساختاری در سال ۲۰۱۹ که در نشریه PNAS با عنوان «راهحلی برای معمای ۵۰ ساله قطعه اوکازاکی» منتشر شد، نشان داد که پلیمراز رشته پیرو از نظر فیزیکی با قطعه قبلی برخورد میکند و باعث ایجاد یک تغییر ساختاری میشود که آن را وادار به رها کردن دیانای میکند. این مکانیسم برخورد-رهاسازی از بازنویسی مواد ژنتیکی از پیش سنتزشده توسط پلیمراز جلوگیری کرده و به عنوان یک سیستم ترمز خودکار عمل میکند.[9]
هنگامی که سلولها استرس همانندسازی را تجربه میکنند (مانند قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش یا سموم شیمیایی)، سنتز رشته پیرو نخستین سیستمی است که از هم میپاشد. در شرایط استرس، رشته پیشرو به پیشروی خود ادامه میدهد در حالی که رشته پیرو متوقف میشود و بخشهای طولانی از دیانای تکرشتهای آسیبپذیر را در معرض خطر قرار میدهد. این دیانایِ در معرض خطر به عنوان یک زنگ خطر عمل میکند و شبکه پاسخ به آسیب سراسری سلول را فعال میکند تا تقسیم را تا زمان تثبیت محیط متوقف کند.[8]
آنزیمهایی که این فرآیند را کنترل میکنند، اکنون اهداف اصلی برای درمانهای نسل بعدی هستند. انکولوژیستها با مهار عمدی FEN1 یا دیانای لیگاز در سلولهای توموری که بهسرعت در حال تقسیم هستند، میتوانند تجمع قطعات پردازشنشده اوکازاکی را تحمیل کنند. این مداخله هدفمند، سلولهای سرطانی را به سمت یک شکست فاجعهبار در همانندسازی سوق میدهد و مرگ برنامهریزیشده سلولی را آغاز میکند، در حالی که بافتهای سالم با تقسیم کندتر که زمان کافی برای ترمیم شکافها دارند، در امان میمانند.[5][6]
دو راهی همانندسازی برای تأیید کار خود متوقف نمیشود. به محض اینکه لیگاز پیوند نهایی یک قطعه را میبندد، آنزیم هلیکاز از قبل ۱۵۰ جفتباز دیگر از مارپیچ دوگانه را در پاییندست باز کرده است. پرایماز لنگر ۱۰ نوکلئوتیدی بعدی خود را میاندازد، پلیمراز دوباره روی الگو قفل میشود و چرخه از نو آغاز میگردد و بیوقفه ادامه مییابد تا زمانی که کل کروموزوم تکثیر شود.[3][4]
بررسی عمیق دیدگاهها
دیدگاه زیستشناسان ساختاری
رشته پیرو یک مسئله هندسه فیزیکی است که با برخوردهای آنزیمی حل میشود.
برای زیستشناسان ساختاری، قطعه اوکازاکی یک شگفتی در مدیریت فضایی است. از آنجا که دیانای پلیمراز دقیقاً یک موتور یکطرفه است، سلول باید دائماً کمپلکسهای پروتئینی عظیم را در کسری از ثانیه مونتاژ و دمونتاژ کند. کشف سال ۲۰۱۹ مبنی بر اینکه پلیمراز از نظر فیزیکی به قطعه قبلی برخورد میکند تا رهاسازی خود را آغاز کند، نشان میدهد که سلول چگونه برای تنظیم تکثیر ژنوم، به جای تکیه صرف بر سیگنالدهی شیمیایی، از نیروی مکانیکی استفاده میکند.
دیدگاه ژنتیکدانان مولکولی
طول قطعه بر اساس نیاز به بستهبندی دیانای در نوکلئوزومها تعیین میشود.
ژنتیکدانان اشاره میکنند که طول ۱۰۰ تا ۲۰۰ جفتبازی قطعات اوکازاکی در یوکاریوتها یک محدودیت تصادفی نیست، بلکه یک سازگاری تکاملی دقیق است. این طول دقیقاً با مقدار دیانای مورد نیاز برای پیچیدن به دور یک اکتامر هیستون مطابقت دارد. سلول با پیوند دادن مستقیم بسته شدن قطعه به قرارگیری یک نوکلئوزوم جدید از طریق کمپلکس CAF-1، تضمین میکند که لایه تنظیمی اپیژنتیکی آن به همان دقت کد ژنتیکی خام کپی میشود.
دیدگاه پژوهشگران انکولوژی
پیچیدگی رشته پیرو یک هدف اصلی برای ایجاد شکست فاجعهبار در سلولهای سرطانی است.
از منظر درمانی، ۵۰ میلیون رویداد اتصال مورد نیاز در هر چرخه سلولی، نشاندهنده ۵۰ میلیون فرصت برای از بین بردن یک تومور است. پژوهشگران انکولوژی بهطور فعال در حال توسعه مهارکنندههای مولکولکوچک هستند که FEN1 و دیانای لیگاز را هدف قرار میدهند. از آنجا که سلولهای سرطانی بهسرعت تقسیم میشوند و اغلب دارای مسیرهای ترمیم پشتیبان معیوب هستند، مختل کردن فرآیند بلوغ اوکازاکی با غلبه بر بافت بدخیم از طریق شکستگیهای تکرشتهای، آن را بهطور انتخابی نابود میکند.
آنچه نمیدانیم
- ماشین همانندسازی چگونه از نواحی بسیار فشرده هتروکروماتین عبور میکند بدون اینکه رشته پیرو متوقف شود.
- مکانیسم دقیقی که از طریق آن پلیمرازهای رشته پیشرو و پیرو، با وجود حرکت در جهتهای عملکردی مخالف، از نظر فیزیکی متصل به هم باقی میمانند.
- اینکه آیا طول قطعات اوکازاکی در پاسخ به انواع خاصی از استرسهای سلولی بهطور پویا تغییر میکند یا خیر.
چرا مهم است
ماهیت ناپیوسته همانندسازی دیانای، آسیبپذیری مکانیکی بنیادین در تمام حیات سلولی است. درک اینکه سلول چگونه میلیونها قطعه ژنتیکی را بدون خطا به هم متصل میکند، طرحی کلی از چگونگی بروز سرطان و پیری در اثر ناپایداری ژنومی به دست میدهد.
منابع
پوشش منابع
10 منبع
3 دیدگاه شناساییشده
- [1]PNASزیستشناسان ساختاری
Mechanism of DNA chain growth. I. Possible discontinuity and unusual secondary structure of newly synthesized chains.
مطالعه در PNAS → - [2]Proc Jpn Acad Ser B Phys Biol Sci
Days weaving the lagging strand synthesis of DNA—A personal recollection of the discovery of Okazaki fragments and studies on discontinuous replication mechanism—
مطالعه در Proc Jpn Acad Ser B Phys Biol Sci → - [3]Annual Review of Biochemistryزیستشناسان ساختاری
Eukaryotic DNA Replication Fork
مطالعه در Annual Review of Biochemistry → - [4]Cold Spring Harbor Perspectives in Biologyژنتیکدانان مولکولی
Okazaki Fragment Metabolism
مطالعه در Cold Spring Harbor Perspectives in Biology → - [5]The Journal of Biological Chemistryپژوهشگران انکولوژی
Eukaryotic Lagging Strand DNA Replication Employs a Multi-pathway Mechanism That Protects Genome Integrity
مطالعه در The Journal of Biological Chemistry → - [6]Journal of Molecular Cell Biologyپژوهشگران انکولوژی
Okazaki fragment maturation: nucleases take centre stage
مطالعه در Journal of Molecular Cell Biology → - [7]eLifeژنتیکدانان مولکولی
DNA-mediated association of two histone-bound complexes of yeast Chromatin Assembly Factor-1 (CAF-1) drives tetrasome assembly in the wake of DNA replication
مطالعه در eLife → - [8]Cell Cycleپژوهشگران انکولوژی
An updated view on lagging strand DNA replication: implications for the replication stress response
مطالعه در Cell Cycle → - [9]PNASزیستشناسان ساختاری
Solution to the 50-year-old Okazaki-fragment problem
مطالعه در PNAS → - [10]تیم سردبیری کوهستان
تحلیل تیم سردبیری کوهستان
مطالعه در تیم سردبیری کوهستان →
نظرات
بیشتر در علم
مشاهده همه →اتوفاژی سلولی
اتوفاگوزوم دو غشایی: سلولها چگونه ماشین تخریب هدفمند را در زمان نیاز میسازند
10 منبع
کامپیوترهای باستانی
مکانیسم کامپیوتر سیارهای غیاثالدین جمشید کاشانی: چگونه یک ریاضیدان ایرانی در قرن پانزدهم، مدار سیارات و عدد پی را رمزگشایی کرد؟
6 منبع
ژئوشیمی ایزوتوپی
چگونه تحلیل ایزوتوپ استرانسیم در مینای دندان، مهاجرت انسانهای باستان را بازسازی میکند
4 منبع
تغییرات اقلیمی آمازون
مطالعه جدید: دمای شدید فصل خشک در شمال مرکزی آمازون در هر دهه ۰.۷۵ درجه سانتیگراد افزایش مییابد
6 منبع
هر زاویه. هر روز.
دریافت علم اخبار همراه با پوشش کامل منابع و تحلیل دیدگاهها، مستقیم در صندوق ورودی شما.