كشف يكي از بزرگ‌ترين اسرار همانندسازي DNA

همانندسازي DNA بزرگ‌ترين جادوي طبيعت است. پس از گذشت بيش از نيم قرن پژوهش در زمينه‌ي ژنتيك ملكولي شايد آسان باشد كه فرض كنيم تمام زواياي اين فرايند را كشف كرده‌ايم، اما درواقع چنين نيست. پژوهشگران طي مطالعه‌اي با استفاده از تكنولوژي‌هاي پيشرفته جزئيات مهمي از اين فرايند را كشف كرده‌اند كه نشان مي‌دهد DNA چگونه همانندسازي خود را از انديشه متخصصين زماني برنامه‌ريزي مي‌كند. ديويد گيلبرت از دانشگاه ايالتي فلوريدا مي‌گويد:

اين موضوع به‌راستي يك معما بوده است. به‌انديشه متخصصين مي‌رسد كه همانندسازي دربرابر هر چه كه ما براي آشفته‌سازي آن انجام مي‌دهيم، داراي انعطاف‌پذيري باشد. ما اين فرايند را با جزئيات تشريح كرده‌ايم و نشان داده‌ايم كه اين فرايند در انواع مختلف سلول‌ها تغيير مي‌كند و در حالت بيماري به‌هم مي‌خورد، اما تاكنون ما نتوانسته بوديم كه قطعه‌ي نهايي را پيدا كنيم: عناصر كنترلي يا توالي‌هايي از DNA كه همانندسازي را كنترل مي‌كنند.مقاله‌هاي مرتبط:RNA: در جستجوي نخستين ملكول همانندساز كه آغازگر حيات اوليه بودامكان تغيير شكل ساختار مارپيچ ملكول DNA با يك روش خاصچگونه ژن‌ها براي نخستين بار به تشكيل حيات انجاميدند

اگر هر جزوه رايگان درسي مرتبط با اين موضوع را باز كنيد، دياگرامي را مي‌بينيد كه نشان مي‌دهد چگونه رشته‌هاي طويل DNA مانند پازلي بزرگ، رشته‌هاي نسبتا يكساني را با به‌خدمت‌گرفتن شيمي هوشمند و پروتئين‌هاي سختكوش مي‌سازند و اكثر ما تصور واضحي از اين فرايند آنزيمي داريم و فكر مي‌كنيم همه‌چيز آن معلوم است. اما براي پژوهشگران، پيچيدگي‌هاي اين فرايند به‌خصوص در موجوداتي نظير پستانداران، مسئله‌اي چالش‌برانگيز بوده است.

زمان‌بندي در اين فرايند بسيار مهم است. با اين حال مطالعه روي پروتئين‌هاي تنظيمي نشان مي‌دهد كه ظاهرا اين عوامل، نقش اصلي را در اين زمينه بر عهده ندارند. بر اين اساس ريتم‌هاي دقيق پشت‌صحنه‌ي همانندسازي بايد بيشتر مربوط به عمل مولكول DNA روي خودش باشد (نه مربوط به آنزيم‌ها).

براي كشف ساختارهاي شيميايي كنترل‌كننده‌ي زمان‌بندي همانندسازي DNA، گيلبرت و همكارانش از تكنولوژي كريسپر براي ايجاد برش در كرومواخبار تخصصي‌هاي موش استفاده كردند تا ببينند كدام عوامل سبب ايجاد تغيير مي‌شوند. كريسپر يك ابزار ملكولي مبتني برفرايندي است كه باكتري براي شناسايي ژن‌هاي ويروس‌هاي تهديدكننده از آن استفاده مي‌كند. وقتي كه يك كد ژنتيكي خاص شناسايي شد، آنزيم‌هاي مرتبط با كريسپر مي‌توانند توالي را بشكنند و تهديد را از بين ببرند. پژوهشگران مي‌توانند از اين سيستم براي بريدن هر توالي مشخص‌شده‌ از DNA استفاده كنند. گيلبرت از اين تكنولوژي براي مورد هدف قرار دادن ساختارهاي مختلف درون DNAي سلول‌هاي بنيادي جنيني موش استفاده كرد تا آن‌ها را دچار تغيير كرده يا اينكه به‌كلي برش دهد. تمركز اوليه روي سايت‌هاي اتصال براي پروتئيني بود كه عامل اتصال‌دهنده‌ي CCCTC يا CTCF نام دارد. اين پروتئين به تنظيم فرايند رونويسي كمك مي‌كند و ناحيه‌ي استقرار آن، محلي طبيعي براي جستجو به‌دنبال عوامل كنترل‌كننده‌ي اين فرايندها محسوب مي‌شود. با اين حال، دستكاري اين منطقه تاثير ناچيزي روي زمان‌بندي واقعي فرايند همانند‌سازي داشت، پس بايد موضوع ديگري در ميان باشد.

در ادامه پژوهشگران يك آناليز سه‌بعدي با وضوح بالا از سايت‌هاي تماس DNA با خودش، انجام دادند و موفق شدند چندين موقعيت كليدي را خارج از محدوده‌ي مرتبط با CTFC پيدا كنند. شكستن اين اتصالات موجب هرج‌و‌مرج شد؛ زمان‌بندي همانندسازي به‌هم خورد؛ ساختار خود DNA ضعيف شد و عمل رونويسي نيز از بين رفت. گيلبرت مي‌گويد:

حذف اين عناصر موجب تغيير زمان همانندسازي قطعه‌ي DNA شد و اين لحظه‌ي شگفت‌آوري بود.

نتايج آن‌ها، راه را براي انجام پژوهش‌هاي جديد در زمينه‌ي مباحث مرتبط با سلامتي و آسيب‌شناسي باز مي‌كند. با تعيين دقيق مكانيسم‌هاي مسئول زمان‌بندي همانندسازي DNA، پژوهشگران شايد بتوانند فرايندهايي را كه موجب بروز برخي بيماري مي‌شود، كشف كنند. گيلبرت مي‌گويد:

همانندسازي در موقعيت‌ها و زمان‌هاي متفاوت، شايد منجر به ايجاد ساختارهاي كاملا متفاوتي شود.