Chytré DNA triky – Ars Technica

Každý člověk začíná jako jediné oplodněné vajíčko. Do dospělosti se tato jediná buňka proměnila v přibližně 37 bilionů buněk, z nichž mnohé pokračují v dělení, aby každých několik měsíců produkovaly stejné množství nových lidských buněk.

Ale tyto buňky čelí obrovské výzvě. Průměr rozdělených buněk 3.2 by měl být zkopírován miliarda párů bází DNA, přibližně jednou za 24 hodin. Replikační aparát buňky dělá úžasnou práci, kopíruje genetický materiál fragmentovanou rychlostí asi 50 párů bází za sekundu.

Toto je však velmi pomalé na replikaci a lidské geny. Pokud se kopírovací stroj buňky spustí v čele každého z jejích 46 chromozomů současně, dokončí nejdelší chromozom – ne. 1, na 249 milionech párů bází – asi za dva měsíce.

říká James Berger, strukturální biolog z Johns Hopkins University School of Medicine v Baltimoru a spoluautor Esej o replikaci DNA v eukaryotech In Biochemistry Annual Review 2021. Kvasinkové buňky mají stovky potenciálních reprodukčních původů, jak se jim říká, a zvířata, jako jsou myši a lidé, jich mají desítky tisíc, rozšířených v jejich genomech.

„Ale to představuje svou vlastní výzvu, kterou je, jak víte, kde začít a jak vše načasujete?“ říká Berger. Bez pečlivé kontroly může být některá DNA zkopírována dvakrát, což způsobí buněčné šílenství.

Udržování pevného sevření procesu replikace DNA je zvláště důležité, aby se zabránilo tomuto blábolu. Dnes vědci podnikají kroky k plnému pochopení molekulárních kontrol a rovnováh, které se vyvinuly, aby zajistili, že každý rodič začne kopírovat DNA pouze jednou, aby přesně vytvořil nový, kompletní genom.

Udělejte to správně, udělejte to rychle

Pokud se replikace nespustí správně, mohou se stát špatné věci. Aby mohla být DNA zkopírována, musí se otevřít dvojitá šroubovice DNA a výsledná jednotlivá vlákna – každé sloužící jako templát pro stavbu nového druhého vlákna – jsou náchylná k přetržení. Nebo může proces selhat. „Opravdu chcete rychle vyřešit nadbytečnost,“ říká John Devley, biochemik z Francis Crick Institute v Londýně. Problémy během replikace DNA mohou způsobit dezorganizaci genomu, což je často zásadní krok na cestě k rakovině.

Některá genetická onemocnění jsou také způsobena Problémy s replikací DNA. Například Meyer-Gorlinův syndrom, který zahrnuje malý vzrůst, malé uši a malé nebo žádné kolenní čéšky, je způsoben mutacemi v několika genech, které pomáhají zahájit proces replikace DNA.

Aby se mechanismus replikace DNA začal replikovat ve správném bodě životního cyklu buňky, je zapotřebí těsně koordinovaný tanec desítek proteinů. Vědci mají docela dobrou představu o tom, které proteiny co dělají, protože byli schopni zajistit replikaci DNA v biologických směsích bez buněk v laboratoři. Napodobují první kritické kroky při zahájení replikace pomocí proteinů z kvasnic– stejný druh, jaký se používá k výrobě chleba a piva – a napodobili mnoho z celého procesu replikace Použití lidských kopií replikačních proteinůtaky.

Buňka řídí zahájení replikace DNA ve dvoustupňovém procesu. Celým smyslem tohoto procesu je řídit činnost klíčového enzymu – nazývaného helikáza – který rozvíjí dvojitou šroubovici DNA při přípravě na její transkripci. V prvním kroku jsou neaktivní helikázy naneseny na DNA v počátku, kde je zahájena replikace. Během druhého kroku se aktivuje helikáza, aby se dekódovala DNA.

Připraveno (stáhnout helicase)…

Proces začíná tím, že skupina šesti proteinů sedí na počátku. Tato skupina se nazývá ORC Ve formě dvouvrstvého prstenu Bergerův tým zjistil, že má praktickou štěrbinu, která mu umožňovala vklouznout do vláken DNA.

V pekařském droždí, oblíbeném mezi vědci studujícími replikaci DNA, lze tato počáteční místa snadno rozpoznat: Obsahují specifickou základní sekvenci DNA o délce 11 až 17 písmen, bohatou na chemické báze adenin a thymin. Vědci sledovali, jak ork popadl DNA a pak klouzal podél, Najděte počáteční sekvenci Dokud nenajde to správné místo.

Ale u lidí a dalších složitých forem života nejsou iniciační místa jasně definována a není zcela jasné, co způsobuje, že ork praskne a drží se, říká Alessandro Costa, strukturální biolog z Crick Institute, který spolu s Devley napsal O zahájení replikace DNA Ve výročním přehledu biochemie z roku 2022. Zdá se pravděpodobné, že replikace začne v místech, kde se uvolnil genom – obvykle těsně obalený proteiny nazývanými histony.

Jakmile ORC spočívá na DNA, přitahuje druhý proteinový komplex: takový, který zahrnuje šroubovici, která nakonec DNA rozvine. Costa a kolegové použili elektronovou mikroskopii, aby viděli, jak se používají orkové Navnadí nejprve jednu helikázu, pak druhou. Helikáza má také prstencový tvar a každá se rozvine a obalí kolem dvouvláknové DNA. Pak se obě roviny opět uzavřou, proti sobě na vláknech DNA, jako dvě korálky na provázku.

Zpočátku tam jen sedí, jako auta bez plynu v nádrži. Ještě nebyl aktivován a v tuto chvíli buňka pokračuje ve své obvyklé práci.

Získejte sadu (aktivace Helicase)…

Věci začnou opravdu rychle, když důležitá molekula zvaná CDK zamává zelenou vlajkou a spustí skok v chemických krocích, které lákají další proteiny. Jedním z nich je DNA polymeráza – to, co Costa nazývá „psací stroj“, který vytvoří nová vlákna DNA – která se připojí ke každé helikáze. Jiné aktivují helikázy, které nyní mohou spalovat energii, aby proudila podél DNA.

Když k tomu dojde, změní tvar helikáz, přičemž jeden řetězec DNA tlačí a druhý táhne. To vytváří napětí na slabých vodíkových můstcích, které normálně drží dvě vlákna pohromadě pomocí bází – As, Cs, Ts a Gs, které tvoří příčky žebříčku DNA. Trsy jsou roztrhané. Costa a jeho kolegové pozorovali, jak tyto dva vrtulníky byly rozluštit DNA mezi nimiA viděli, jak letadla udržují nepřipoutané základny stabilní a mimo cestu.

On jde!

Na začátku byly oba stavy omotané kolem obou řetězců DNA a nemohly se takto daleko dostat, protože byly proti sobě a narážely by do sebe. Ale pak oba podstoupí repozici, vyplivnou jeden nebo druhý řetězec DNA ze smyčky. Nyní oddělené, mohou se shlukovat jeden na druhého a replikace rychle pokračuje.

Každý šroubovitý motor se pohybuje po svém vlastním jednotlivém závitu v opačném směru než druhý. Zanechávají počátek a vzdalují se od párů bází vázaných vodíkovými vazbami, když cestují. Hned za tím je DNA polymeráza, která přepisuje písmena DNA, když jsou osvobozeni od svých partnerů.

Druhým úkolem CDK je zabránit jakémukoli jinému letadlu naskočit na aktiva. Existuje tedy jediný začátek replikace pro každé rodičovství, což zajišťuje správnou transkripci genomu – i když transkripce nezačíná na každém místě ve stejnou dobu. Celý proces replikace DNA v lidských buňkách trvá asi osm hodin.

Je toho ještě hodně co dělat. Za prvé, kopírovaná DNA není nahá dvojitá šroubovice. Je obalena kolem histonů a připojena k mnoha dalším proteinům, které se podílejí na zapínání nebo vypínání genů Vytvořte kopie RNA genů. Jak se tyto flux proteiny vzájemně ovlivňují a vyhýbají se vzájemnému konfliktu?

Kromě této fascinující základní biologie – fascinujícího procesu, který je nezbytný pro veškerý život na Zemi – existují důsledky pro nemoci, jako je rakovina. Vědci již vědí, že chybná replikace může destabilizovat DNA a nestabilní genom náchylný k mutaci může být časným znakem rozvoje rakoviny. klam Hlubší průzkum Vazby mezi replikačními proteiny a rakovinou.

„Myslím, že pro tyto systémy existují příležitosti pro terapeutické zásahy,“ říká Berger, „až budeme mít dostatek informací o tom, jak fungují a jak vypadají.“

jantarový tanec, vědecký spisovatel z oblasti Los Angeles, také rád rozděluje velké úkoly na menší části: Trvalo mi pět dní, než jsem dokončil kroky pro tento článek. Tento článek se původně objevil v Známý časopis, nezávislý novinářský počin z Annual Reviews. Přihlásit se zprávy.