Kako molekularni motorji določajo strukturo kromosomov
Pred približno 150 leti je Walther Flemming preučeval spremembe kromosomov med delitvijo celic. Kljub poznejšemu napredku v znanju pa so raziskovalci šele pred kratkim identificirali ključne elemente, ki določajo organizacijo kromosomov v jedru. "Kromosomi so v osnovi strukturirani v zanke DNK, pri njihovem nastajanju pa sodelujejo proteini v obliki obroča, znani kot kompleksi za strukturno vzdrževanje kromosomov (SMC)," pravi Cees Dekker(opens in new window), profesor fizike na Tehnološki univerzi v Delftu(opens in new window) na Nizozemskem in glavni raziskovalec projekta LoopingDNA. "Natančni mehanizmi, kako se te zanke tvorijo in nadzorujejo, pa so ostali skrivnost." Leta 2018 so v Dekkerjevem laboratoriju odkrili, da kompleks SMC, imenovan kondenzin, deluje kot molekularni motor(opens in new window), ki tvori zanke DNK in določa strukturo kromosomov. Zdaj je projekt LoopingDNA z uporabo enomolekularnih testov razkril več o vpletenih mehanizmih in raziskal vpliv strukture kromosomov na biologijo.
Nov razred molekularnih motorjev za DNK
S podporo Evropskega raziskovalnega sveta(opens in new window) (ERC) je ekipa LoopingDNA uporabila časovno zamaknjeno enomolekularno slikanje za spremljanje dogajanje v procesu tvorbe zank DNK, ki ga poganja kondenzin. "Delček DNK smo položili na stekelce, ga prikazali in nato opazovali, kako se sčasoma pojavlja zanka, ko se na DNK pritrdijo kompleksi SMC," pojasnjuje Dekker. "Nadaljnji poskusi so nam omogočili opazovanje številnih dodatnih značilnosti, kot so asimetrija zanke in spremembe smeri." Poleg tega je ekipa odkrila nov vzorec zank, imenovan z-zanke(opens in new window), ki nastane, ko se dva kondenzinska kompleksa SMC, ki tvorita zanke, srečata in mimoideta, kar pojasnjuje, kako se DNK organizira v tesno zgoščeno strukturo. Ugotovljeno je bilo tudi, da je tvorjenje zanke tesno povezano s "superzvijanjem" DNK, ki povečuje stopnjo zasuka v verigi DNK. "Odkrili smo, da kompleksi SMC ne le iztisnejo DNK, temveč vsakokrat dodajo tudi zasuk, kar pomeni, da genom uravnava zvijanje DNK," dodaja Dekker.
Mehanizmi, na katerih temelji zvijanje DNK
Projekt je razkril tudi druga zanimiva spoznanja. Celična DNK je prekrita s proteini, ki vežejo DNK, kot so nukleosomi ali RNK-polimeraza, ki bi teoretično lahko ovirale iztiskanje. Ekipa je presenečeno ugotovila, da temu ni tako – kompleksi SMC so očitno sposobni v svojo DNK zanko vključiti praktično vse predmete. To je pomembno, saj so proteini na DNK lahko veliki do nekaj deset nanometrov, obročasti kompleks SMC pa ima premer približno 30 nanometrov. Dekker je ugotovil, da lahko obroč sprejme celo zlate delce, vezane na DNK, velike 200 nanometrov, kar je več kot sam obroč kompleksa SMC. "Ugotovili smo, da DNK ni topološko ujeta znotraj obroča kompleksa SMC, kot smo domnevali prej," pravi Dekker. "Zdaj smo izdelali model, po katerem vezava z adenozin trifosfatom spremeni obliko in velikost kompleksa SMC, kar nas je približalo razumevanju mehanizma delovanja tega molekularnega motorja."
Vpogled v genske motnje
Raziskovalci so si zadali tudi ambiciozno nalogo, da izdelajo kromosom iz nič. Začeli so z golo verigo DNK (genom bakterije Escherichia coli brez proteinov), nato pa so dodali proteinske komplekse in druge proteine, ki obdelujejo DNK, da bi preučili učinke elementov, ki organizirajo DNK. Čeprav so dosegli osnovno različico, pa je bila zaradi izjemne krhkosti DNK popolna rekonstrukcija zunaj dosega projekta. "Če nam bo uspelo premagati te tehnične ovire, bo naš 'genom v škatli' nekoč lahko ponudil orodje za poskuse, ki bodo razkrili, kako kromosomska struktura uravnava izražanje genov, kar bo omogočilo vpogled v genske bolezni," pojasnjuje Dekker. Ker je znano, da je kondenzin ključnega pomena za zdrav razvoj zarodka, bo Dekkerjev nova raziskovalna ekipa, ki si trenutno išče dodatna sredstva s sinergijsko subvencijo ERC, še naprej raziskovala to področje. Še posebej jih zanima, kako bi zvijanje DNK lahko omogočilo, da se tako imenovani ojačevalci približajo promotorjem ključnih genov in okrepijo njihovo izražanje.
