کشف یکی از بزرگ‌ترین اسرار همانندسازی DNA

همانندسازی DNA بزرگ‌ترین جادوی طبیعت است. پس از گذشت بیش از نیم قرن پژوهش در زمینه‌ی ژنتیک ملکولی شاید آسان باشد که فرض کنیم تمام زوایای این فرایند را کشف کرده‌ایم، اما درواقع چنین نیست. پژوهشگران طی مطالعه‌ای با استفاده از تکنولوژی‌های پیشرفته جزئیات مهمی از این فرایند را کشف کرده‌اند که نشان می‌دهد DNA چگونه همانندسازی خود را از نظر زمانی برنامه‌ریزی می‌کند. دیوید گیلبرت از دانشگاه ایالتی فلوریدا می‌گوید:

این موضوع به‌راستی یک معما بوده است. به‌نظر می‌رسد که همانندسازی دربرابر هر چه که ما برای آشفته‌سازی آن انجام می‌دهیم، دارای انعطاف‌پذیری باشد. ما این فرایند را با جزئیات تشریح کرده‌ایم و نشان داده‌ایم که این فرایند در انواع مختلف سلول‌ها تغییر می‌کند و در حالت بیماری به‌هم می‌خورد، اما تاکنون ما نتوانسته بودیم که قطعه‌ی نهایی را پیدا کنیم: عناصر کنترلی یا توالی‌هایی از DNA که همانندسازی را کنترل می‌کنند.مقاله‌های مرتبط:RNA: در جستجوی نخستین ملکول همانندساز که آغازگر حیات اولیه بودامکان تغییر شکل ساختار مارپیچ ملکول DNA با یک روش خاصچگونه ژن‌ها برای نخستین بار به تشکیل حیات انجامیدند

اگر هر کتاب درسی مرتبط با این موضوع را باز کنید، دیاگرامی را می‌بینید که نشان می‌دهد چگونه رشته‌های طویل DNA مانند پازلی بزرگ، رشته‌های نسبتا یکسانی را با به‌خدمت‌گرفتن شیمی هوشمند و پروتئین‌های سختکوش می‌سازند و اکثر ما تصور واضحی از این فرایند آنزیمی داریم و فکر می‌کنیم همه‌چیز آن معلوم است. اما برای پژوهشگران، پیچیدگی‌های این فرایند به‌خصوص در موجوداتی نظیر پستانداران، مسئله‌ای چالش‌برانگیز بوده است.

زمان‌بندی در این فرایند بسیار مهم است. با این حال مطالعه روی پروتئین‌های تنظیمی نشان می‌دهد که ظاهرا این عوامل، نقش اصلی را در این زمینه بر عهده ندارند. بر این اساس ریتم‌های دقیق پشت‌صحنه‌ی همانندسازی باید بیشتر مربوط به عمل مولکول DNA روی خودش باشد (نه مربوط به آنزیم‌ها).

برای کشف ساختارهای شیمیایی کنترل‌کننده‌ی زمان‌بندی همانندسازی DNA، گیلبرت و همکارانش از تکنولوژی کریسپر برای ایجاد برش در کروموزوم‌های موش استفاده کردند تا ببینند کدام عوامل سبب ایجاد تغییر می‌شوند. کریسپر یک ابزار ملکولی مبتنی برفرایندی است که باکتری برای شناسایی ژن‌های ویروس‌های تهدیدکننده از آن استفاده می‌کند. وقتی که یک کد ژنتیکی خاص شناسایی شد، آنزیم‌های مرتبط با کریسپر می‌توانند توالی را بشکنند و تهدید را از بین ببرند. پژوهشگران می‌توانند از این سیستم برای بریدن هر توالی مشخص‌شده‌ از DNA استفاده کنند. گیلبرت از این تکنولوژی برای مورد هدف قرار دادن ساختارهای مختلف درون DNAی سلول‌های بنیادی جنینی موش استفاده کرد تا آن‌ها را دچار تغییر کرده یا اینکه به‌کلی برش دهد. تمرکز اولیه روی سایت‌های اتصال برای پروتئینی بود که عامل اتصال‌دهنده‌ی CCCTC یا CTCF نام دارد. این پروتئین به تنظیم فرایند رونویسی کمک می‌کند و ناحیه‌ی استقرار آن، محلی طبیعی برای جستجو به‌دنبال عوامل کنترل‌کننده‌ی این فرایندها محسوب می‌شود. با این حال، دستکاری این منطقه تاثیر ناچیزی روی زمان‌بندی واقعی فرایند همانند‌سازی داشت، پس باید موضوع دیگری در میان باشد.

در ادامه پژوهشگران یک آنالیز سه‌بعدی با وضوح بالا از سایت‌های تماس DNA با خودش، انجام دادند و موفق شدند چندین موقعیت کلیدی را خارج از محدوده‌ی مرتبط با CTFC پیدا کنند. شکستن این اتصالات موجب هرج‌و‌مرج شد؛ زمان‌بندی همانندسازی به‌هم خورد؛ ساختار خود DNA ضعیف شد و عمل رونویسی نیز از بین رفت. گیلبرت می‌گوید:

حذف این عناصر موجب تغییر زمان همانندسازی قطعه‌ی DNA شد و این لحظه‌ی شگفت‌آوری بود.

نتایج آن‌ها، راه را برای انجام پژوهش‌های جدید در زمینه‌ی مباحث مرتبط با سلامتی و آسیب‌شناسی باز می‌کند. با تعیین دقیق مکانیسم‌های مسئول زمان‌بندی همانندسازی DNA، پژوهشگران شاید بتوانند فرایندهایی را که موجب بروز برخی بیماری می‌شود، کشف کنند. گیلبرت می‌گوید:

همانندسازی در موقعیت‌ها و زمان‌های متفاوت، شاید منجر به ایجاد ساختارهای کاملا متفاوتی شود.