Dodano: 08 wrzesień 2021r.

Jak bakterie naprawiają swoje DNA? Naukowcy poznali szczegóły tego procesu

To, w jaki sposób komórka może naprawić uszkodzone DNA za pomocą innej kopii DNA służącej jako szablon, od lat intrygowało naukowców. Jak znaleźć prawidłowe sekwencje w ruchliwym wnętrzu komórki? Naukowcy z Uniwersytetu w Uppsali obserwując w czasie rzeczywistym, jak bakterie naprawiają uszkodzone DNA, poznali szczegóły tego procesu, co otwiera drogę do poznania przyczyn wielu chorób, w tym nowotworów.

Jak bakterie naprawiają swoje DNA? Naukowcy poznali szczegóły tego procesu

 

Dla większości organizmów szybkie i bezbłędne naprawianie uszkodzeń powstających w genach może być kwestią życia i śmierci. Nawet najprostsze zmiany w sekwencji genomu grożą katastrofą, zwłaszcza jeśli zmienione DNA odpowiada za niezbędną dla życia funkcję.

Dlatego też w ciągu ostatnich 50 lat biolodzy wnikliwie analizowali mechanizmy związane z dokonywaniem napraw DNA. Mimo licznych badań jedna część tego procesu pozostała frustrująco niejasna. Teraz dzięki nowym odkryciom naukowców ze Szwecji udało się uzupełnić brakującą wiedzę na temat pochodzenia swoistych szablonów, używanych przez bakterie do naprawy genomu.

Eksperci z Uniwersytetu w Uppsali oznaczyli kluczowe enzymy i nici DNA bakterii Escherichia coli specjalnym znacznikiem fluorescencyjnym. Następnie w czasie rzeczywistym obserwowali proces naprawy uszkodzonych genów. Dzięki temu przybliżyli się do rozwiązania jednej z ważnych zagadek współczesnej biologii.

Rezultaty badań opublikowano w czasopiśmie „Nature” (DOI: s41586-021-03877-6).

Rekombinacja genetyczna

Już od dłuższego czasu naukowcy wiedzą, że komórki organizmów żywych dla utrzymania poprawności kodu genetycznego wykorzystują proces rekombinacji genetycznej. W uproszczeniu można powiedzieć, że komórka „porównuje” swój kod genetyczny z jego skryptem zapisanym w specjalnym białku.

Umieszczając prawidłową wersję sekwencji obok naprawianej, komórka może się „upewnić”, że kopia nie zawiera błędów w DNA i nie zaszły w niej żadne niechciane mutacje. Kluczową rolę w tym procesie odgrywa specjalne białko nazywane RecA. Jest ono tak ważne dla utrzymania integralności genomu, że jakąś jego wersję znaleziono u każdego badanego gatunku.

Jak to działa? Kiedy dwuniciowa helisa DNA komórki ulega zerwaniu, powstają dwie pojedyncze nici materiału genetycznego. Wtedy do akcji wkracza zestaw białek, który „chwyta” odcięte końce DNA i „przycina” je tak, by RecA mógł się na nich zaczepić i przystąpić do procesu rekombinacji genetycznej.

Problem w tym, że RecA tworzy bardzo długą nić w cytoplazmie komórki. Przez 50 lat naukowcy głowili się, w jaki sposób enzym ten w krótkim czasie odnajduje odpowiednią sekwencję genomu, która posłuży za punkt porównawczy w rekombinacji DNA. Tym bardziej, że w białku występują miliony par zasad i to pośród skomplikowanych skrętów chromosomów.

Fluorescencyjne eksperymenty

Aby lepiej zrozumieć zasady działania i nawigację enzymu podczas rekombinacji genetycznej, naukowcy wyhodowali tysiące komórek E. coli i umieścili je w specjalnych, maleńkich kanalikach, ułatwiających obserwacje.

Następnie badacze dokonywali precyzyjnych przerw w DNA bakterii i oznaczali odcięte końce znacznikami fluorescencyjnymi. Pozwoliło to na precyzyjne uwidocznienie lokalizacji przerw pod mikroskopem.

- Zastosowany przez nas mikroprzepływowy układ hodowlany pozwala śledzić losy tysięcy pojedynczych bakterii jednocześnie i kontrolować przerwy w DNA, wywołane przez zastosowanie precyzyjnych narzędzi genetycznych – tłumaczy biolog molekularny z Uniwersytetu w Uppsali Jakub Wiktor.

Naukowcy wykorzystali też specjalne przeciwciała, które pomogły w lokalizacji włókien RecA, gdy te osadzały się na swoim miejscu i przeczesywały bogate „biblioteki” w poszukiwaniu odpowiedniej sekwencji genomu, która miała służyć za punkt porównawczy do napraw.

Dziewięć minut na znalezienie szablonu

O zakończeniu procesu informował alarm chemiczny. Średnio, E. coli potrzebowała zaledwie 15 minut, aby dokonać całej naprawy. Co zaskakujące, białko RecA znajdowało właściwy szablon, który służył jako punkt porównawczy, zaledwie w ciągu dziewięciu minut.

Wydaje się, że sekret tkwi w budowie RecA. Nić ta rozciąga się po całej komórce, a gdy jest potrzebna „chwyta” przerwany chromosom i „zsuwa” się po nim w poszukiwaniu pasującej sekwencji DNA.

Choć może nie brzmi to zbyt wydajnie, w rzeczywistości nie różni się to od metodycznego chodzenia po korytarzach biblioteki w poszukiwaniu książki, która pasuje do numeru z katalogu.

Chociaż badania zostały przeprowadzone na bakteriach, to naukowcy uważają, że podobny proces zachodzi w całej biosferze, w tym u ludzi. Wynika to z faktu, że RecA jest tak podobny u wszystkich organizmów.

Dzięki lepszemu zrozumieniu procesu naprawy komórek, możemy teraz zacząć szukać nieprawidłowości w trakcie naprawy DNA. Otwiera to drogę do poznania przyczyn wielu chorób, w tym nowotworów.

 

Źródło: Uppsala University, fot. Ilustracja filamentu RecA - David Goodsell/ Uppsala University