2023 Autor: Bailey Leapman | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-05-20 22:44
Teadlaste meeskond, mida juhib Priscilla Cooper, energeetikaministeeriumi Lawrence Berkeley riikliku labori bioteaduste osakonna vanemteadur, on avastanud transkriptsiooniga seotud remondi (TCR) esimestes etappides uusi tegijaid. oluline, kuid siiski salapärane DNA parandamise mehhanism.
Kui raku DNA-st pärineva geneetilise teabe transkribeerimisel RNA-ks tekib blokeering – see on valkude sünteesiks ülioluline tegevus –, tuvastab transkriptsiooniga seotud parandusprotsess (TCR) takistuse ja parandab kahjustuse. Kuid kui TCR ise ebaõnnestub, võivad tulemused olla rakkudele ja organismile surmavad. Inimestel põhjustab transkriptsiooniga seotud parandamise ebaõnnestumine Cockayne'i sündroomi, kiirenenud vananemise äärmuslikku vormi, mis on elu alguses paratamatult surmav.
Cooper ja tema kolleegid valgustasid esimest korda kahe olulise valgu rolli transkriptsiooniblokeeringute äratundmisel ja tõhusa parandusmeetodi käivitamisel; nende tulemused viitasid varem aimamatule parandusprotsessi mehhanismile.
Meeskonda, mille liikmed töötavad Berkeley laboris, California ülikoolis Berkeleys, Howard Hughesi meditsiiniinstituudis, Skaggsi keemilise bioloogia instituudis ja Scrippsi uurimisinstituudis, kuuluvad Altaf Sarker, Susan Tsutakawa, Seth Kostek, Cliff Ng, David Shin, Marian Peris, Eric Campeau, John Tainer ja Eva Nogales, lisaks Cooperile. Nende tulemused ilmuvad ajakirja Molecular Cell 28. oktoobri 2005. aasta numbris.
DNA parandamine: eluga sammu pidada
DNA-d rünnatakse pidev alt kehasiseste ja -väliste allikate, sealhulgas päikesevalguse, ioniseeriva kiirguse, muude keskkonna kantserogeenide ja rakkude ainevahetuse vabade radikaalide poolt. DNA kahjustused ulatuvad ühest või mõnest muutunud nukleotiidist topeltheeliksi ühes ahelas kuni katkemiseni ühes või mõlemas ahelas ja ristsidemeteni kahe ahela vahel. Et vältida mutatsioonide kuhjumist ja muutunud valkude tootmist, kasutavad rakud parandusmehhanismide arsenali defektsete nukleotiidide eemaldamiseks ja asendamiseks, katkenud ahelate taasühendamiseks ja muud tüüpi kahjustuste lappimiseks.
Transkriptsiooniga seotud parandamine on ainulaadne: see on suunatud geenide parandamisele, mida transkribeeritakse aktiivselt messenger-RNA-ks. TCR avastati umbes 20 aastat tagasi Cockayne'i sündroomiga (CS) ja xeroderma pigmentosum'iga (XP) patsientide rakkude omaduste võrdlemise tulemusena. Need on kaks erinevat pärilikku haigust, millel on ühine tunnus: mõlemal on ülitundlikkus päikesevalguse suhtes. XP-s aga kaob kogu genoomis ultraviolettkiirgusest põhjustatud DNA kahjustuste parandamise võime, samas kui CS-is on globaalne parandusmehhanism puutumata, kuid transkriptsiooniga seotud parandus on defektne. Seega ei saa aktiivseid geene eelistatav alt parandada.
XP patsientidel põhjustab kokkupuude päikesevalgusega tavaliselt hüperpigmenteeritud naha, mis on kuiv ja pärgamenditaoline, ning sellele järgneb mitu nahavähki. Hoolik alt ultraviolettvalguse eest kaitstuna, näiteks aknafiltrite ja kaitseriietuse abil, võivad paljud XP-ga kannatajad elada näiliselt normaalset elu. XP tuleneb mutatsioonidest ühes seitsmest geenist, mis on märgistatud XPA kuni XPG ja mis osalevad hästi mõistetavas DNA parandamise mehhanismis, mida nimetatakse nukleotiidide ekstsisiooni parandamiseks.
Seevastu Cockayne'i sündroomi ei iseloomusta mitte nahavähk, vaid tõsine füüsiline ja vaimne alaareng – ohvritel on ebatavaliselt väike aju ning nad ei suuda pärast sündi normaalselt kasvada ega areneda; väljendunud kurnatus algab tavaliselt esimesel eluaastal. Vanemaks saades näevad CS-i põdejad välja üha vanemaealisemad ja nende nägudel on sissevajunud silmad. Keskmine oodatav eluiga on vaid 12 aastat ja vähesed jäävad teismeeast ellu. Cockayne'i sündroom tuleneb tavaliselt mutatsioonidest ühes kahest geenist, CSA või CSB, kuigi mutatsioonid kolmes XP-ga seotud geenis – XPB, XPD ja XPG – võivad samuti põhjustada kliinilist CS.
Kui transkriptsioon ebaõnnestub
Geenid kopeeritakse RNA polümeraasi II (RNAPII) nime all tuntud suure kompleksse molekulaarmasina abil sõnumitooja RNA-sse. RNAPII toimib, eraldades kaks DNA spiraali ahelat – avades nn „transkriptsioonimulli“– ja liikudes mööda transkribeeritavat ahelat nagu mootor mööda hammasraudteed, kopeerides geenis olevat geneetilist teavet, et luua sõnumitooja pikkus. RNA nagu läheb.
Kui RNAPII mootor liigub DNA-d ja avatud mulli endasse kaasates, kohtab see mõnikord transkribeeritavas ahelas kahjustatud nukleotiidi – seda tüüpi kahjustusi, mille võis tekitada ultraviolettkiirgus või oksüdatiivne kahjustus, näide. Või võib tekkida olukordi, nagu näiteks tugev alt korduv aluste järjestus koos DNA kokkuvoltimisega, mis raskendab edasiminekut. Kopeerimist ei saa jätkata, RNAPII peatab ja mõnikord peatub.
Päikesevalgusega kokkupuude põhjustab transkriptsiooni vähenemist, kui ultraviolettkiirguse põhjustatud DNA kahjustus blokeerib RNAPII. Transkriptsiooniga seotud parandus eemaldab tavaliselt blokeeriva kahjustuse ja võimaldab transkriptsioonil taastuda; Cockayne'i sündroomi puhul ei saa aga transkriptsioon taastuda ja mõjutatud rakud surevad.
"On eeldatud, et Cockayne'i sündroomi põhjuseks on transkriptsiooniga seotud parandamise defektid, kuigi jäi küsimus, kas probleem oli võimetuses toime tulla kahjustatud DNA-ga või üldises transkriptsioonis.. "Probleemi täpse olemuse mõistmiseks pidime kõigepe alt teadma, kuidas seiskunud RNAPII tuvastatakse."
Valk CSB, mis muteerunud kujul põhjustab ühte tüüpi Cockayne'i sündroomi, tundis teadaolev alt ära seiskunud RNAPII; Eeldati, et CSB osales transkriptsiooniga seotud remondi algatamises, kuid mis vahenditega, polnud teada. Lisaks oli vihjeid valgu XPG olulisele, kuid tundmatule rollile transkriptsiooniga seotud parandamises. Kui geenimutatsioonid tekitavad nii inimestel kui ka hiirtel XPG tugev alt kärbitud vormi, on tulemuseks sügav Cockayne'i sündroom ja väga varajane surm.
Lõbi geniaalsete biokeemiliste katsete avastasid Cooper ja tema kolleegid tõendeid selle kohta, et XPG ja CSB peavad seiskunud RNAPII äratundmisel koostööd tegema. Teadlased said teada, et need valgud tuvastavad RNAPII seiskumise olenemata sellest, kas DNA on kahjustatud või mitte, mis viitab sellele, et hilisemate probleemide põhjuseks on transkriptsiooniprotsessi tõrge, mis ei pruugi kaasata DNA enda kahjustamist.
"Tundub, et XPG-d on vaja selleks, et aidata CSB-l ära tunda seiskunud RNAPII ja täita selle muid funktsioone TCR-is, " ütleb Cooper. "Me arvame, et isegi kui CSB on olemas, ei tööta CSB nii tõhus alt, kui lahtris XPG puudub." See võib aidata selgitada, miks XPG geeni mutatsioonid võivad põhjustada Cockayne'i sündroomi isegi siis, kui CSB geen on normaalne.
Masinate parandamine
Esimene samm TCR-is on äratundmine, et RNAPII on seiskunud. Seejärel peab juhtuma üks mitmest asjast. Enamik teoreetilisi mudeleid on eeldanud, et seiskunud RNAPII tuleb kahjustuse parandamiseks degradeerida ja teelt välja viia, misjärel peab geeni transkriptsioon algama otsast uue RNAPII-ga.
Teised võimalused on see, et algne RNAPII pannakse kuidagi uuesti käivituma, jättes kahjustusest mööda, või et RNAPII lastakse varundada, seedides osa juba tehtud RNAPII-st ja lasta uuesti transkriptsioon. Sellistel juhtudel suureneb vigade tõenäosus transkribeeritud RNA-s ja lõpuks ka saadud valguses.
Cooper ja tema kolleegid leidsid aga hoopis teistsuguse, ootamatu tee. Näib, et eemaldamise asemel saab seiskunud RNAPII paigale jätta ja transkriptsioonipaari parandamise valgumehhanismi abil ümber kujundada, nii et DNA parandamine võib toimuda ilma juba moodustunud messenger-RNA kadumiseta.
Teadlased lõid DNA erineva suurusega kunstlikud transkriptsioonimullid in vitro. Sel moel avastasid nad, et XPG eelistab tugev alt seonduda just transkriptsioonile tüüpilise suurusega mullidega – see tähendab RNAPII poolt avatud mulli suurusega. Selle mulli tuvastamine, mis RNAPII seiskumisel ei edene, koos XPG ja RNAPII enda vahelise otsese interaktsiooniga näib käivitavat XPG ja CSB koostöö. Kui RNAPII in vitro transkriptsiooni ajal kahjustatud nukleotiidide juures seiskus, moodustasid XPG ja CSB koos polümeraasiga suure stabiilse kompleksi.
XPG funktsioon kahjustuste eemaldamise ajal on kahjustust sisaldava DNA ahela lõikamine kahjustuse ühel küljel keeruka lõikamis- ja plaastriprotsessi osana. Kuid kui kahjustus põhjustab transkriptsiooni seiskumist, on see koht RNAPII sees, mis on sulgenud end kahe DNA ahela ümber "klambrimooduliga".
Tõepoolest, teadlased leidsid, et transkriptsioonimulliga seotud RNAPII takistas XPG-ga sisselõiget. Nende üllatuseks võimaldas aga teise suure valgumasina, nimega Transkriptsioonifaktor IIH (TFIIH) lisamine XPG-l lõigata DNA ahela sobivas kohas – ilma RNAPII-d eemaldamata. Parim seletus on see, et TFIIH põhjustab konformatsioonilise muutuse, RNAPII "ümberkujundamise", mis tõstab klambrimooduli teelt.
See leid on eriti oluline, kuna XPB ja XPD, kaks teist pigmenti xerodermaga seotud valku, mis võivad defekti korral põhjustada Cockayne'i sündroomi (lisaks XPG-le), on TFIIH olulised komponendid.
TFIIH ei tunne seiskunud RNAPII üksi ära. Näib, et TFIIH-i seiskunud polümeraasi värbamiseks on vaja kas CSB-d või XPG-d ja tõenäoliselt teevad nad seda koos töötades tõhusam alt. Uued leiud viitavad sellele, et TFIIH üks peamisi funktsioone - varem kahtlustamata - on vabastada tee transkriptsiooniga seotud remondiks, avades RNAPII ilma seda hävitamata.
"See uus mehhanism tähendab, et transkriptsiooniga seotud parandus on seiskunud transkriptsiooni lahendamiseks palju tõhusam kui teised protsessid, kuna see võib töötada RNAPII-ga, mis on endiselt paigas, nii et selle punkti transkriptsioon ei lähe kaduma, " ütleb Cooper.. "Seega oleks valitud tee ümberkujundamine, kus alternatiivsed meetodid on saadaval lihts alt. Ainult siis, kui kõik muu ebaõnnestub, hävitatakse RNAPII, mis sunnib transkriptsiooni uuesti alustama."
Selles esimeses TCR-i mehhanisme käsitlevas artiklis on Cooper ja tema kolleegid toonud varakult valgust mitte ainult sellele, kuidas transkriptsiooniga seotud parandusprotsess toimib molekulaarsel tasandil, vaid ka selle aluseks olevale protsessile. Cockayne'i sündroomi korral pärast sündi akumuleeruvate transkriptsioonidefektide põhjus, mis põhjustab rakusurma, mis põhjustab CS-le iseloomulikku neuroloogilist langust ja kurnatust. Edasine töö võib anda ülevaate vananemisprotsessidest.
"RNA polümeraas II ja transkriptsioonimullide äratundmine XPG, CSB ja TFIIH poolt: ülevaated transkriptsiooniga seotud parandamise ja Cockayne'i sündroomi kohta", autor Altaf H. Sarker, Susan E. Tsutakawa, Seth Kostek, Cliff Ng, David S. Shin, Marian Peris, Eric Campeau, John A. Tainer, Eva Nogales ja Priscilla K. Cooper ilmuvad Molecular Cell 28. oktoobri 2005. aasta numbris.
Berkeley Lab on USA energeetikaministeeriumi riiklik labor, mis asub Californias Berkeleys. See viib läbi salastamata teadusuuringuid ja seda haldab California ülikool. Külastage meie veebisaiti aadressil
