Τα βακτήρια θυσιάζουν την επιδιόρθωση του DNA για καλύτερο RNA
Το Evolution είναι ένα παιχνίδι ανταλλαγών. Κάθε χαρακτηριστικό που κληρονομεί ένας οργανισμός μπορεί να έχει οφέλη και μειονεκτήματα. Αυτό που έχει σημασία για τη φυσική επιλογή είναι αν το χαρακτηριστικό είναι θετικό ή αρνητικό σε ισορροπία. Όμως, σε μια πρόσφατη μελέτη, οι ερευνητές περιέγραψαν μια πράξη εξισορρόπησης που φαίνεται πιο αντίθετη από τις περισσότερες:Τα βακτηριακά κύτταρα δίνουν προτεραιότητα στη μεταγραφή - τη διαδικασία δημιουργίας μεταγραφών RNA των γονιδίων ως το πρώτο βήμα στην παραγωγή πρωτεϊνών - έναντι της επιδιόρθωσης σπασίματος διπλής αλυσίδας στο DNA τους. /P>
«Τείνουμε να θεωρούμε το DNA ως τον εγκέφαλο του κυττάρου», είπε η Σούζαν Ρόζενμπεργκ, βιολόγος στο Baylor College of Medicine στο Χιούστον. "Αν προωθήσουμε αυτήν την αναλογία και σκεφτούμε μέρη του κυττάρου που ανταγωνίζονται για πόρους όπως κάνουν τα μέρη του σώματος, ο εγκέφαλος θα πρέπει να παίρνει ό,τι χρειάζεται σε βάρος όλων των άλλων."
Έτσι, όταν ο συνάδελφός της στο Baylor, Christophe Herman, την πλησίασε με την υπόθεση ότι η μεταγραφή μπορεί να είναι πιο σημαντική από την επισκευή του DNA, η Rosenberg ήταν έτοιμη να στοιχηματίσει στον αντίποδα. "Και ήμουν σίγουρη ότι θα κέρδιζα", είπε.
Αλλά αποδείχτηκε ότι έκανε λάθος. Τον περασμένο μήνα, αυτή, ο Herman και η ομάδα τους δημοσίευσαν τα αποτελέσματα της έρευνάς τους στο Nature :Βρήκαν, χρησιμοποιώντας μια σειρά πειραμάτων και περίπλοκους ελέγχους, ότι η μεταγραφή μπορεί να υπερισχύσει της επιδιόρθωσης του DNA στο E. coli .
Ο αρχικός σκεπτικισμός του Ρόζενμπεργκ έχει νόημα. Το DNA είναι η βάση της κληρονομικότητας, άλλωστε, και ένα σπασμένο χρωμόσωμα μπορεί να αποβεί μοιραίο. Τα σφάλματα σε μια μεταγραφή RNA, από την άλλη πλευρά, φαίνονται λιγότερο σοβαρά. Τέτοιες μεταγραφές είναι προσωρινές και βραχύβιες και το κελί συνήθως δημιουργεί περισσότερα από ένα αντίγραφα. «Όταν το σπίτι σου καίγεται, δεν πετάς τα πάντα για να βεβαιωθείς ότι πήρες ένα ακριβές αντίγραφο από ένα από τα βιβλία σου στη βιβλιοθήκη του σπιτιού σου», είπε ο Αντρέι Κουζμίνοφ, μικροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις που δεν συμμετείχε στη μελέτη. . «Τρέξε για τη ζωή σου!»
Αλλά η ιστορία αποδεικνύεται πολύ πιο περίπλοκη:Μια παραδοσιακή προοπτική με επίκεντρο το DNA δεν είναι πάντα η καλύτερη για να εξηγήσει πώς αλληλεπιδρούν πολύπλοκες διαδικασίες όπως η επισκευή και η μεταγραφή.
Η άνοδος της μεταγραφής στην ισχύ
Ο Χέρμαν άρχισε να υποψιάζεται ότι η υπερβολή της σημασίας του DNA θα μπορούσε να είναι ένα λάθος σχεδόν πριν από μια δεκαετία, όταν διαπίστωσε ότι τα σφάλματα που έγιναν κατά την αντιγραφή του DNA σε RNA μπορεί να οδηγήσουν σε κληρονομικές αλλαγές στο E. coli κύτταρα. (Αυτές οι επιδράσεις ήταν επιγενετικές, που σημαίνει ότι το DNA των κυττάρων τροποποιήθηκε χημικά ενώ η βασική του αλληλουχία παρέμεινε η ίδια.) Άλλες έρευνες έχουν δείξει επίσης συσχέτιση μεταξύ μεταγραφικών σφαλμάτων και ασθενειών όπως ο καρκίνος, η σκλήρυνση κατά πλάκας και το Αλτσχάιμερ, αν και η σχέση δεν είναι αναγκαστικά αιτιατική. Και το τελευταίο κομμάτι του παζλ, σύμφωνα με τον Herman, μπήκε στη θέση του πέρυσι, όταν το Ινστιτούτο J. Craig Venter και η Synthetic Genomics δημιούργησαν ένα κύτταρο από την αρχή με το ελάχιστο γονιδίωμα που χρειάζεται ένας οργανισμός για να επιβιώσει. Ο Χέρμαν σημείωσε ότι μεταξύ των 473 γονιδίων του συνθετικού κυττάρου, «πολύ λίγα κωδικοποιήθηκαν για πρωτεΐνες που εμπλέκονται στην επιδιόρθωση του DNA». Αλλά η κύρια πρωτεΐνη που εμπλέκεται στη διατήρηση της πιστότητας της μεταγραφής ήταν εκεί. «Ήταν απαραίτητο για τη ζωή», είπε ο Χέρμαν.
Οι επιστήμονες είχαν αρχίσει να σκάβουν βαθύτερα σε τρόπους με τους οποίους οι διαδικασίες μεταγραφής θα μπορούσαν τυχαία να βοηθήσουν στην επισκευή του DNA. Αλλά τα νέα ευρήματα της ομάδας Baylor υποδηλώνουν ότι αυτές οι διαδικασίες μπορεί επίσης μερικές φορές να αποτελούν εμπόδιο.
Ο Herman, ο Rosenberg και οι συνεργάτες τους αφαίρεσαν το γονίδιο στο E. coli που κωδικοποιεί τον παράγοντα πιστότητας μεταγραφής GreA, έναν τύπο πρωτεΐνης διόρθωσης που διασφαλίζει ότι τα κύτταρα κάνουν τις σωστές μεταγραφές RNA. Στη συνέχεια, η ομάδα προκάλεσε θραύσεις DNA διπλού κλώνου χρησιμοποιώντας ένα φάρμακο που μιμείται την ακτινοβολία. Διαπίστωσαν ότι απουσία του GreA, τα κύτταρα έγιναν πολύ πιο ανθεκτικά στις βλαβερές επιδράσεις του φαρμάκου. Στην πραγματικότητα, η ικανότητα των βακτηρίων να επιδιορθώνουν το DNA τους βελτιώθηκε 100 φορές. «Έφυγαν από ήπιους τρόπους E. coli να είναι οι πρωταθλητές της επισκευής ακτινοβολίας», είπε ο Rosenberg.
«Νομίζω ότι οι περισσότεροι άνθρωποι δεν θα είχαν μαντέψει ότι τα κύτταρα θα απαλλάσσονταν από οποιαδήποτε από τις πιθανές δραστηριότητες επιδιόρθωσης του DNA που θα μπορούσαν να έχουν», πρόσθεσε, «ιδιαίτερα όχι υπέρ μιας καλής ποιότητας μεταγραφής». Αλλά αυτό φαίνεται να συμβαίνει:Μια μεμονωμένη πρωτεΐνη που σχετίζεται με τη μεταγραφή εμποδίζει μια διαδικασία επιδιόρθωσης που διαφορετικά θα λειτουργούσε 100 φορές καλύτερα από ό,τι βλέπουμε στη φύση.
Οδικά εμπόδια και συγκρούσεις
Συνήθως, όταν ένα χρωμόσωμα βιώνει ένα σπάσιμο διπλού κλώνου, ένα ένζυμο αρχίζει να αποικοδομεί το γειτονικό DNA ως προοίμιο για την επιδιόρθωση. Στο Ε. coli και άλλα βακτήρια, όταν αυτό το ένζυμο φτάσει σε μια αλληλουχία νουκλεοτιδίων που ονομάζεται θέση Chi, σταματά να μασάει το DNA και ξεκινά τη διαδικασία επιδιόρθωσης.
Εν τω μεταξύ, όταν παρουσιάζεται ένα μεταγραφικό σφάλμα, το σύμπλεγμα του ημιτελούς RNA και των ενζύμων πολυμερισμού σταματά έως ότου το GreA και άλλοι μεταγραφικοί παράγοντες επιτρέπουν την αφαίρεση του εσφαλμένου νουκλεοτιδίου.
Οι Herman και Rosenberg πρότειναν ότι χωρίς το GreA, το μεταγραφικό σύμπλεγμα παραμένει προσκολλημένο στο DNA. Εάν το ένζυμο αποικοδόμησης του DNA στη συνέχεια κατέβει στον κλώνο, τρέχει στο στάσιμο σύμπλεγμα και ερμηνεύει αυτή τη σύγκρουση ως θέση Chi, μεταβαίνοντας στην επισκευή του DNA. "Εάν δεν σταματήσετε [το ένζυμο] με αυτό το είδος σήματος, το DNA μπορεί να αποικοδομηθεί έως και ένα εκατομμύριο βάσεις", είπε ο Herman. «Αν δεν του πείτε να σταματήσει να υποβαθμίζεται και να αρχίσει [την επισκευή], θα έχετε πρόβλημα. Εδώ, φαίνεται ότι το κελί βρήκε διαφορετικό τρόπο για να το κάνει αυτό."
Οι επιστήμονες ανέπτυξαν μια μέθοδο για να οπτικοποιήσουν τη διαδικασία επιδιόρθωσης με βάση τη γονιδιωματική αλληλουχία και μαζί της βρήκαν καλά στοιχεία για την υπόθεσή τους:Στα κύτταρα που δεν είχαν GreA, λιγότερη αποικοδόμηση του DNA περιέβαλλε τις θέσεις των θραύσεων του DNA. Για τον Χέρμαν και τον Ρόζενμπεργκ, υπονοήθηκε ότι τα συμπαγή συμπλέγματα μεταγραφής μπορεί να προωθούσαν περισσότερη επισκευή.
Υποστήριξη του Proteome
Σύμφωνα με τον Herman, αυτή η παρατήρηση καταδεικνύει ότι είναι κρίσιμο για ένα κύτταρο να παράγει τις σωστές πρωτεΐνες, επειδή οι κακώς κατασκευασμένες πρωτεΐνες μπορεί να είναι πιο επικίνδυνες για το κύτταρο από ένα σπασμένο χρωμόσωμα. Οι μεταγραφές αγγελιαφόρου RNA δεν γίνονται στις μεγάλες ποσότητες που θα περίμενε κανείς:Μερικές φορές η παραγωγή μιας ζωτικής σημασίας πρωτεΐνης από ένα κύτταρο εξαρτάται μόνο από μια χούφτα από αυτές - ακόμη και από λίγες. Επομένως, ένα μόνο ανεπαρκές αντίγραφο θα μπορούσε να έχει καταστροφικές συνέπειες, όχι μόνο μεταβάλλοντας άμεσα την ενζυματική δραστηριότητα ενός κυττάρου, αλλά μέσω ενός φαινομένου ντόμινο που αφήνει άλλες, άσχετες πρωτεΐνες ανίκανες να λειτουργήσουν σωστά.
Οι ερευνητές κάνουν λάθος μαθηματικά όταν σκέφτονται αυτό το πρόβλημα, είπε ο Rosenberg. Κατά τη διάρκεια της κυτταρικής διαίρεσης σε έναν ταχέως αναπτυσσόμενο πληθυσμό E. coli , τα κύτταρα περιέχουν περισσότερα από ένα αντίγραφα του μοναδικού τους χρωμοσώματος. Εάν το DNA σπάσει σε ένα αντίγραφο, μπορεί να είναι θανατηφόρο για μια σειρά θυγατρικών κυττάρων, αλλά οι άλλες γενεαλογίες θα ήταν εντάξει. Ωστόσο, εάν το σύνολο πρωτεϊνών του διαιρούμενου κυττάρου (το πρωτεϊνό του) διακυβεύεται από ελαττωματικά μεταγραφήματα RNA, όλοι οι απόγονοι μπορεί να είναι ακατάλληλοι.
"Ο λογισμός εδώ είναι ότι ένα κακό αντίγραφο μπορεί να παράγει έναν πολύ μεγάλο αριθμό κακών πρωτεϊνών", είπε ο Rosenberg. «Η τελευταία στιγμή της ζωής του κυττάρου έχει να κάνει περισσότερο με τη σύνθεση των πρωτεϊνών του κυττάρου του παρά με την απώλεια του χρωμοσώματος».
«Είναι ένα συναρπαστικό εύρημα», δήλωσε ο Jean-François Gout, εξελικτικός βιολόγος στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα. «Νομίζω ότι η ιστορία είναι απολύτως λογική». Όταν συμβαίνει μια σύγκρουση μεταξύ των συμπλεγμάτων που εμπλέκονται σε διαδικασίες όπως η μεταγραφή και η επιδιόρθωση, τα οποία έχουν πρόσβαση στο DNA ταυτόχρονα, "η εξέλιξη θα σας ωθήσει αναπόφευκτα προς την καλύτερη ισορροπία", πρόσθεσε.
Ένα παιχνίδι ανταλλαγών
Άλλοι ειδικοί ερμηνεύουν διαφορετικά τα αποτελέσματα των Herman και Rosenberg. Ο Nikolay Zenkin, μοριακός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Newcastle στην Αγγλία, πιστεύει ότι η εξέλιξη δεν βρήκε ισορροπία μεταξύ της μεταγραφής και της επιδιόρθωσης του DNA. Αντίθετα, βρήκε έναν τρόπο να βελτιώσει μια διαφορετική σύγκρουση - μεταξύ της μεταγραφής και της αντιγραφής του DNA. Τα στάσιμα μεταγραφικά σύμπλοκα δεν βοηθούν απλώς τις διαδικασίες επιδιόρθωσης του DNA. μπορούν επίσης να καταλήξουν να προκαλέσουν σπασίματα διπλού κλώνου παρεμβαίνοντας στον κυτταρικό μηχανισμό που αναπαράγει το DNA. Έτσι, το GreA προάγει τη γονιδιωματική ακεραιότητα αποτρέποντας τις θραύσεις του DNA, ακόμα κι αν αυτό σημαίνει ότι διακυβεύεται η επιδιόρθωση τυχόν θραύσεων που τελικά συμβαίνουν. "Καλύτερα να αποφύγουμε το συμβάν παρά να το διορθώσουμε αποτελεσματικά", είπε ο Zenkin.
Επιπλέον, πρόσθεσε ο Ρόμπερτ Λόιντ, ομότιμος καθηγητής γενετικής στο Πανεπιστήμιο του Νότιγχαμ στην Αγγλία, αυθόρμητες ρήξεις διπλού κλώνου στο E. coli είναι σχετικά σπάνιες. Ως αποτέλεσμα, οι παρατηρήσεις της ομάδας Baylor μπορεί να μην είναι τόσο εκπληκτικές:Ο κρίσιμος παράγοντας για τα βακτήρια θα ήταν να εκφράσουν τα γονίδιά τους με ακρίβεια, ώστε να μπορούν να επιβιώσουν και να ανθίσουν. «Σε έναν κανονικό αυξανόμενο πληθυσμό», είπε ο Lloyd, «η απαίτηση για την επιδιόρθωση των θραυσμάτων του DNA δεν θα ήταν τόσο μεγάλη όσο η ανάγκη εξασφάλισης ανταγωνιστικού πλεονεκτήματος έναντι άλλων ειδών». Εάν τα κύτταρα είχαν εξελιχθεί κάτω από ακραίες συνθήκες που ήταν πιο πιθανό να σπάσουν το DNA, «θα είχαν αναπτύξει διαφορετικούς μηχανισμούς για να το αντιμετωπίσουν και η αποτελεσματικότητα της γονιδιακής έκφρασης δεν θα ήταν πλέον το πρώτο μέλημα».
"Αυτό δεν είναι τόσο αίνιγμα όσο είναι ένα αναπόφευκτο πλεονέκτημα", είπε ο Lloyd - ένα κλασικό παράδειγμα μιας εξελικτικής ανταλλαγής.
Η ανακάλυψη των Herman και Rosenberg παρουσιάζει μια πλουσιότερη εικόνα για το πώς η μεταγραφή μπορεί να εμπλέκεται στον μεταβολισμό του DNA και τον ρόλο που παίζει η μεταγραφή στη διασφάλιση της ευημερίας του κυττάρου, παρατήρησε η Houra Merrikh, μικροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον. «Η μελέτη τους υπογραμμίζει πόσο σημαντικό είναι να επιστρέψουμε στη βασική βακτηριακή γενετική», είπε ο Merrikh. "Υπάρχουν σαφώς ακόμα πολλά που μπορούμε να μάθουμε και πολλά που δεν γνωρίζουμε για τους μοριακούς μηχανισμούς, τα οποία μπορούμε να ερευνήσουμε χρησιμοποιώντας αυτό το είδος γενετικής."
Ο Herman και ο Rosenberg θέλουν τώρα να δουν τον μηχανισμό τους να επιβεβαιώνεται από πιο άμεσα βιοχημικά πειράματα και ελπίζουν να μελετήσουν τον βαθμό στον οποίο τα αποτελέσματά τους μπορούν να γενικευθούν πέρα από τα βακτήρια σε πιο πολύπλοκα κύτταρα, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπινων. Εάν κάτι παρόμοιο συμβαίνει σε οργανισμούς υψηλότερου επιπέδου, είπε ο Rosenberg, μπορεί να επηρεάσει ακόμη και την έρευνα για τον καρκίνο. Υπέθεσε ότι σε άτομα επιρρεπή σε ορισμένους τύπους καρκίνου, θα μπορούσε να υπάρξει μια μειονεκτική ισορροπία μεταξύ των διαδικασιών μεταγραφής και επιδιόρθωσης - και ότι η ελαφρά μείωση της πιστότητας μεταγραφής θα μπορούσε να βελτιώσει την υγεία τους. «Αυτό το εύρημα είναι συγκλονιστικό», πρόσθεσε, «επειδή λέει, όχι, μπορείτε να τροποποιήσετε μια μικρή πρωτεΐνη στο κύτταρο και το κύτταρο μπορεί να γίνει πολύ καλύτερο στην επισκευή του DNA». Ωστόσο, προειδοποίησε ότι τα καθαρά αποτελέσματα θα μπορούσαν επίσης να είναι περισσότερο επιζήμια παρά ωφέλιμα, επομένως οποιαδήποτε τέτοια πιθανή θεραπεία θα πρέπει να δοκιμαστεί προσεκτικά.
Ανεξάρτητα από τις ιατρικές προόδους στο μακρινό μέλλον, ο Herman ελπίζει ότι τα ευρήματά του θα πυροδοτήσουν μεγαλύτερο ενδιαφέρον για την έρευνα σχετικά με την πιστότητα της μεταγραφής, η οποία ήταν πάντα σε δεύτερη μοίρα στη μελέτη της επιδιόρθωσης του DNA. «Ας ελπίσουμε ότι αυτό θα αλλάξει το παιχνίδι», είπε. "Και οι άνθρωποι θα αρχίσουν να δίνουν περισσότερη προσοχή."
