Ćelije imaju pametne trikove za kopiranje DNK

Svaka osoba počinje kao tek jedna oplođena jajna ćelija. Do odraslog doba, ta jedna ćelija se pretvori u oko 37 biliona ćelija, od kojih mnoge nastavljaju da se dele radi stvaranja iste količine svežih ljudskih ćelija svakih nekoliko meseci, piše Popular Science.

Međutim, ćelije se suočavaju sa velikim izazovom. Prosečna ćelija koja se deli mora kopirati – savršeno – 3,2 milijarde baznih parova DNK, otprilike jednom svaka 24 sata. Mehanizam za replikaciju ćelije radi izvrstan posao u tom pogledu, kopirajući genetski materijal velikom brzinom od nekih 50 baznih parova u sekundi.

Ipak, to je previše sporo kako bi se duplicirao čitav ljudski genom. Ako ćelijski mehanizam kopiranja počne od vrha svakog od 46 hromozoma i isto vreme, najduži hromozom – #1, 249 miliona baznih parova – bio bi završen za oko dva meseca.

„Način na koji ćelije s tim izlaze na kraj, naravno, jeste da replikaciju počinju na brojnim tačkama“, kaže Džejms Berger, strukturalni biolog iz Medicinske škole Univerziteta Džons Hopkins u Baltimoru. Ćelije kvasca imaju stotine potencijalnih početni mesta replikacije, a životinje poput miševa i ljudi imaju desetine hiljada, raspršenih širom genoma.

„Međutim, to predstavlja svojevrstan izazov“, kaže Berger, „tj. kako znati gde početi i kako sve tempirati“. Bez kontrole preciznosti, neka DNK bi mogla biti kopirana dvaput, izazivajući ćelijski pandemonijum.

Striktna kontrola početka replikacije DNK je naročito važna da bi se izbegao taj haos. Danas istraživači prave korake ka potpunom razumevanju molekularne kontrole koja se razvila da bi se osuguralo da svaki početak inicira kopiranje DNK jednom i samo jednom, radi stvaranja tačno jednog kompletnog novog genoma.

Uradi to ispravno, uradi to brzo

Loše stvari se mogu desiti ako replikacija ne počne ispravno. Da bi se DNK kopirala, dvostruki heliks DNK se mora otvoriti i rezultirajući jednostruki lanci – od kojih svaki služi kao obrazac za stvaranje novog, drugog lanca – podložni su prekidanju. Ili se proces može zaglaviti.

„Zaista treba obaviti replikaciju brzo“, kaže Džon Difli, biohemičar iz Instituta Frensis Krik u Londonu. Problemi tokom replikacije DNK mogu učiniti da genom postane dezorganizovan, što je često glavni korak na putu do raka.

Neke genetske bolesti su takođe posledice problema sa replikacijom DNK. Na primer, Majer-Gorlinov sindrom, koji karakterišu nizak rast, male uši i male ili odsutne čačice kolena, izazvan je mutacijama u nekoliko gena koji pomažu započinjanje procesa DNK replikacije.

Potrebna je striktno koordinisana igra koja uključuje desetine proteina za mehanizam DNK kopiranja da bi replikacija počela u pravom trenutku životnog ciklusa ćelije. Istraživači imaju prilično dobru ideju o tome koji proteini to rade, pošto su uspeli da realizuju replikaciju DNK u biloškim miksturama bez ćelija. Simulirali su prve bitne korake u inicijaciji replikacije koristeći proteine iz kvasca – iste vrste koja se koristi za pravljenje hleba i piva – i takođe su simulirali veliki deo čitavog procesa replikacije koristeći ljudske verzije replikacionih proteina.

Ćelija kontroliše početak replikacije DNK u procesu od dva koraka. Čitav cilj tog procesa je kontrola akcija jednog bitnog enzima – zvanog helikaza – koji odmotava dvostruki heliks DNK tokom priprema za kopiranje. U prvom koraku, neaktivne helikaze se stavljaju na DNK na mestima gde replikacija počinje. Tokom drugog koraka, helikaze se aktiviraju radi odmotavanja DNK.

Priprema (unos helikaze)…

Proces započinje grupa od šest proteina koji se nalaze na početnim mestima. Zvana ORC, ova grupa ima oblik dvoslojnog prstena sa zgodnim usekom koji omogućava sklizavanje na DNK lance, otkrio je Bergerov tim.

U pekarskom kvascu, omiljenom kod naučnika koji izučavaju replikaciju DNK, ova startna mesta se lako uočavaju: imaju specifičnu DNK sekvencu od 11-17 slova, bogatu adeninskim i timinskim hemijskim bazama. Istraživači su gledali dok se ORC kačila za DNK i zatim klizala uzduž, tragajući za početnom sekvencom dok ne pronađe pravo mesto.

Međutim, kod ljudi i drugih složenim oblika života, početna mesta nisu tako jasno označena, i nije baš jasno šta čini da se ORC slegne i kači, kaže Alesandro Kosta, strukturalni biolog na Institutu Krik.

Čini se da je verovatnije da će replikacija početi na mestima gde je genom – obično čvrsto omotan oko proteina zvanih histoni – razlabavljen.

Nakon što se ORC spusti na DNK, privlači drugi kompleks proteina, koji uključuje helikazu koja će na kraju odmotati DNK. Kosta i kolege su upotrebile elektronsku mikroskopiju da shvate kako ORC namami prvo jednu helikazu, a onda drugu. Helikaze su takođe u obliku prstena i svaka se otvara kako bi se omotala oko dvolančane DNK. Zatim se dve helikaze ponovo zatvore, okrenute jedna prema drugoj na lancima DNK.

Isprva samo miruju tamo, poput kola bez benzira u rezervoaru. Još nisu aktivirane i ćelija je zasad u normalnom režimu.

Pozor (aktivacija helikaze)…

Stvari se prebace u punu brzinu kad ključni molekul zvani CDK mahne zelenom zastavicom, pokrećući hemijske korake koji primamljuju još više proteina. Jedan od njih je DNK polimeraza -Kosta je naziva „pisaća mašina“ koja će izgraditi nove DNK lance – koja se vezuje za svaku helikazu. Drugi aktiviraju helikaze, koje sad mogu sagorevati energiju kako bi išle duž DNK.

Dok se ovo dešava, helikaze manjaju oblik, vršeći pritisak na DNK lance, tj. na slabe vodonične veze koje drže dva lanca zajedno. Dva lanca budu razvdvojena.

Kreni!

Isprva su obe helikaze omotane oko oba lanca DNK i ne mogu otići baš daleko na ovaj način jer su okrenute jedna prema drugoj i samo će udariti jedna u drugu. Međutim, obe zatim promene poziciju, izbacujući jedan ili drugi DNK lanac iz prstena. Pošto su sad razdvojeni, mogu landarati jedan pored drugog, a replikacija nastavlja brzim tempom.

Svaka helikaza juri duž svog lanca, u suprotnom smeru. One napuštaju mesto početka i razbijaju bazne parove sa vodoničnim vezama dok putuju. DNK polimeraza je odmah iza, kopirajući DNK slova čim se oslobode od svojih partnera.

Drugi zadatak CDK je sprečavanje da još helikaza dođe na startna mesta. Tako postoji jedan početak replikacije po startnom mestu, što osigurava pravilno kopiranje genoma – iako kopiranje ne počinje u isto vreme na svakom mestu. Ceo proces replikacije DNK u ljudskim ćelijama traje oko osam sati.

Ima još mnogo posla. Prvo, DNK koja se kopira nije goli dvostruki heliks. Omotan je oko histona i povezan sa mnogo drugih proteina koji su zauzeti uključivanjem ili isključivanjem gena ili pravljenjem RNK kopija gena. Kako ovi tiskajući proteini utiču jedan na drugi i izbegavaju da stanu na put jedan drugom?

Iza ove fascinantne, fundamentalne biologije – izuzetnog procesa bitnog za sav život na Zemlji – stoje implikacije u pogledu bolesti kao što je rak. Naučnici već znaju da pogrešna replikacija može destabilizovati DNK, a nestabilan genom podložan mutaciji može biti rani znak razvoja raka. I oni dalje istražuju veze između replikacionih proteina i raka.

(Telegraf Nauka/Popular Science)