تطور جديد: الآلات الجزيئية التي تدور حول الكروموسومات لدينا تقوم أيضًا بتحريف الحمض النووي

اكتشف علماء من معهد كافلي بجامعة دلفت للتكنولوجيا ومركز IMP Vienna Biocenter خاصية جديدة للمحركات الجزيئية التي تشكل الكروموسومات لدينا. في حين اكتشفوا قبل ست سنوات أن ما يسمى ببروتينات SMC الحركية تصنع حلقات طويلة في الحمض النووي الخاص بنا، فقد اكتشفوا الآن أن هذه المحركات تسبب أيضًا تقلبات كبيرة في الحلقات التي تشكلها. تساعدنا هذه النتائج على فهم بنية ووظيفة الكروموسومات لدينا بشكل أفضل. كما أنها توفر نظرة ثاقبة حول كيفية تأثير تعطيل حلقات الحمض النووي الملتوية على الصحة، على سبيل المثال، في أمراض النمو مثل اعتلالات التماسك. ونشر العلماء النتائج التي توصلوا إليها في مجلة Science Advances.

حلقات الحمض النووي الصغيرة تنظم وظائف الكروموسوم

ومع ذلك، الضغط ليس كافيا. تحتاج الخلايا أيضًا إلى تنظيم بنية الكروموسوم لتمكين وظيفتها. على سبيل المثال، عندما يلزم الوصول إلى المعلومات الجينية، تتم قراءة الحمض النووي محليًا. على وجه الخصوص، عندما يحين وقت انقسام الخلية، يجب أولاً فك الحمض النووي وتكراره ثم فصله بشكل صحيح إلى خليتين جديدتين. تلعب آلات البروتين المتخصصة التي تسمى مجمعات SMC (الصيانة الهيكلية للكروموسومات) دورًا حاسمًا في هذه العمليات. قبل بضع سنوات فقط، اكتشف العلماء في دلفت وأماكن أخرى أن بروتينات SMC هذه هي محركات جزيئية تصنع حلقات طويلة في الحمض النووي لدينا، وأن هذه الحلقات هي المنظمات الرئيسية لوظيفة الكروموسوم.

صراع خلايانا

تخيل أنك تحاول إدخال مترين من الحبل في مساحة أصغر بكثير من رأس الإبرة، وهذا هو التحدي الذي تواجهه كل خلية في جسمك عند تعبئة حمضها النووي في نواتها الصغيرة. ولتحقيق ذلك، تستخدم الطبيعة استراتيجيات بارعة، مثل تحريف الحمض النووي إلى لفائف من اللفائف، ما يسمى بـ “اللفائف الفائقة” (انظر الصور للتصور) ولفه حول بروتينات خاصة للتخزين المدمج.

تطور جديد

في مختبر سيس ديكر في جامعة دلفت، يقدم باحثا ما بعد الدكتوراه ريتشارد جانيسن ورومان بارث الآن أدلة تساعد على حل هذا اللغز الصعب. لقد طوروا طريقة جديدة لاستخدام الملقط المغناطيسي، حيث تمكنوا من مشاهدة بروتينات SMC الفردية وهي تقوم بخطوات حلقات في الحمض النووي. والأهم من ذلك أنهم كانوا أيضًا قادرين على تحديد ما إذا كان بروتين SMC سيغير التواء الحمض النووي. ومن اللافت للنظر أن الفريق وجد ذلك بالفعل: إن تماسك بروتين SMC البشري لا يسحب الحمض النووي إلى حلقة فحسب، بل يقوم أيضًا بتحريف الحمض النووي بطريقة أعسر بمقدار 0.6 دورة في كل خطوة من إنشاء الحلقة.

لمحة عن تطور بروتينات SMC

علاوة على ذلك، وجد الفريق أن عملية الالتواء هذه ليست فريدة بالنسبة للبشر. تتصرف بروتينات SMC المماثلة في الخميرة بنفس الطريقة. ومن المثير للدهشة أن جميع الأنواع المختلفة من بروتينات SMC من الإنسان والخميرة تضيف نفس القدر من الالتواء – فهي تحول الحمض النووي 0.6 مرة في كل خطوة في كل خطوة لقذف حلقة الحمض النووي. وهذا يدل على أن آليات قذف الحمض النووي والالتواء ظلت كما هي لفترة طويلة جدًا أثناء التطور. وبغض النظر عما إذا كان الحمض النووي موجودًا في البشر أو في الخميرة أو في أي خلية أخرى، فإن الطبيعة تستخدم نفس الإستراتيجية.

القرائن الأساسية

ستوفر هذه النتائج الجديدة أدلة أساسية لحل الآلية الجزيئية لهذا النوع الجديد من المحركات. بالإضافة إلى ذلك، أوضحوا أن حلقات الحمض النووي تؤثر أيضًا على حالة الالتفاف الفائق للكروموسومات لدينا، والتي تؤثر بشكل مباشر على عمليات مثل التعبير الجيني. أخيرًا، ترتبط بروتينات SMC هذه بأمراض مختلفة مثل متلازمة كورنيليا دي لانج، ويعد الفهم الأفضل لهذه العمليات أمرًا حيويًا لتتبع الأصول الجزيئية لهذه الأمراض الخطيرة.

النشر:

R. Janissen1,*, R. Barth1,*, IF Davidson2, J.-M. بيترز2، سي. ديكر1،-. جميع بروتينات SMC حقيقية النواة تحفز تطورًا قدره -0.6 في كل خطوة من خطوات بثق حلقة الحمض النووي، Science Advances، 13 ديسمبر 2024؛ دوي 10.1126/sciadv.adt1832

^{الانتسابات: 1 قسم العلوم الحيوية، معهد كافلي لعلوم النانو دلفت، جامعة دلفت للتكنولوجيا، دلفت، هولندا. 2 معهد أبحاث علم الأمراض الجزيئية، مركز فيينا الحيوي، فيينا، 1030، النمسا. * ساهم هؤلاء المؤلفون بالتساوي في هذا العمل. – المؤلف المراسل: c.dekker@tudelft.nl}