رمزگشایی از اسرار ترمیم DNA

بدن ما در مراقبت از DNA خود متخصص است و به طور مداوم هر گونه آسیبی را که نیاز به ترمیم دارد، برای حفظ سلامتی ما نظارت می‌کند. بخش‌هایی از DNA که بسیار تکراری هستند، مانند توالی ایجاد کننده بیماری هانتینگتون (HD)، مراقبت از آنها بسیار دشوار است و بدن ما می‌تواند سعی کند آنها را اصلاح کند اما آن را بدتر کند! این می‌تواند توالی‌های تکراری را طولانی‌تر و حتی برای سلول‌های ما سمی‌تر کند. در این مطالعه که توسط بنیاد CHDI رهبری شد، محققان به طور مفصل به پروتئین‌های مسئول طولانی‌تر کردن این توالی‌ها در HD نگاه می‌کنند، بنابراین می‌توانیم ایده بهتری از نحوه عملکرد آنها و چگونگی توقف آنها به دست آوریم. بیایید نگاهی دقیق‌تر بیندازیم.

زیپ معیوب: چگونه ترمیم DNA به HD دامن می‌زند

DNA از چهار حرف A، T، G و C تشکیل شده است. توالی این حروف دستورالعمل‌هایی را تشکیل می‌دهند که به بدن ما می‌گویند چگونه تمام پروتئین‌های مختلفی را که برای عملکرد و سالم بودن نیاز داریم، بسازیم. در HD یک کشش طولانی‌تر از تکرارهای حروف C-A-G در توالی ژن هانتینگتین وجود دارد. در طول زندگی، اندازه این تکرارها می‌تواند در برخی از سلول‌های مغزی که بیشتر تحت تأثیر HD قرار می‌گیرند، طولانی‌تر شود. این فرآیند گسترش سوماتیک نامیده می‌شود.

تصور کنید DNA در سلول‌های شما مانند زیپ روی یک ژاکت است و دندانه‌های زیپ حروف DNA هستند. به طور معمول زیپ به آرامی بالا و پایین می‌رود، اما ممکن است لکه‌های ضعیفی وجود داشته باشد که در آن ایجاد یک برجستگی یا حلقه آسان باشد.

شما یک خیاط دارید که اشتباهات زیپ را برطرف می‌کند و بیشتر اوقات بسیار مفید است. اما در نقطه ضعف زیپ، خیاط گاهی اوقات مشکل را بدتر می‌کند و به جای صاف کردن برجستگی، دندانه‌های اضافی به زیپ اضافه می‌کند.

اکنون هر بار که زیپ باز و بسته می‌شود، نقطه ضعف این شانس را دارد که بزرگتر شود. در HD، نقطه ضعف مانند تکرارهای C-A-G در DNA هانتینگتین است و خیاط ماشین آلات ترمیم DNA در سلول است. این یک نگهبان مهم DNA در سلول‌های ما است، به ویژه برای جلوگیری از تغییرات در توالی DNA ما، که می‌تواند باعث سرطان شود. با وجود این، تکرارهای طولانی C-A-G، مانند تکرارهای درگیر در HD، گاهی اوقات می‌توانند پاسخ ترمیمی را گیج کنند و باعث شوند تکرارها حتی طولانی‌تر شوند. این فرآیند گسترش سوماتیک نامیده می‌شود و برخی از دانشمندان فکر می‌کنند این می‌تواند باعث بیمار شدن برخی از سلول‌های مغزی شود.

بخش مهمی از خیاط ترمیم DNA که در گسترش نقش دارد، دو پروتئین به نام‌های MSH2 و MSH3 هستند. آنها به عنوان یک تیم با هم کار می‌کنند و در مجموع به عنوان MutSβ (تلفظ: میوت-اس-بتا) شناخته می‌شوند. تجزیه و تحلیل قبلی DNA از هزاران فرد مبتلا به HD به ما نشان داده است که MutSβ می‌تواند بر سن شروع علائم تأثیر بگذارد. به همین دلیل MutSβ به یک حوزه هیجان انگیز از تحقیقات HD تبدیل شده است، که نشان داده است جلوگیری از عملکرد MutSβ بر روی زیپ DNA آسیب دیده ممکن است به کند کردن گسترش سوماتیک و پیشرفت بیماری کمک کند.

مطالعات تحقیقاتی به طور فزاینده‌ای به ما نشان می‌دهند که مهار MSH3 یا کاهش میزان MSH3 در مغز می‌تواند از طولانی‌تر شدن تکرارهای C-A-G جلوگیری کند و حتی ممکن است طول C-A-G را کاهش دهد، و آن را به یک هدف هیجان انگیز برای درمان‌های بالقوه جدید HD تبدیل کند.

نگاهی دزدکی به نحوه عملکرد پروتئین‌های ترمیم عدم تطابق

برای درک بهتر اینکه چگونه کمپلکس MutSβ می‌تواند زیپ DNA را بدتر کند، نویسندگان از تکنیکی به نام میکروسکوپ الکترونی کرایو (cryo-EM) استفاده کردند. این روشی برای نگاه کردن به شکل و ساختار مولکول‌های پروتئینی است – مانند گرفتن یک عکس فوری از ظاهر آنها در یک لحظه خاص در زمان.

تصور کنید می‌خواهید ببینید یک دانه برف واقعاً چگونه به نظر می‌رسد. اگر اجازه دهید پس از فرود آمدن، مدت زیادی روی دستکش شما بماند، قبل از اینکه بتوانید تمام جزئیات پیچیده آن را ببینید، ذوب می‌شود یا تغییر شکل می‌دهد.

Cryo-EM مانند یک دوربین برای “دانه‌های برف” بیولوژیکی کوچک عمل می‌کند. نمونه‌ها به سرعت منجمد می‌شوند تا پروتئین در شکل طبیعی خود به دام بیفتد. عکس‌های فوری زیادی گرفته می‌شود که می‌تواند اشکال و موقعیت‌های مختلفی را که پروتئین ممکن است تشکیل دهد، ثبت کند. این به ما کمک می‌کند تا نحوه تغییر شکل پروتئین‌ها برای انجام وظایف خود را کنار هم قرار دهیم.

در این مطالعه، دانشمندان از cryo-EM برای گرفتن تصویری از MutSβ هم قبل و هم بعد از اتصال به DNA استفاده کردند. آنها توانستند 9 تصویر متمایز از MutSβ تولید کنند، از جمله شرایط زیر:

• وقتی به DNA نچسبیده است
• هنگامی که به DNA بدون خطای معمولی متصل است
• هنگامی که به DNA با DNA نامتطابق متصل است

این تصاویر نشان می‌دهند که چگونه کمپلکس MutSβ هنگام تشخیص خطا در DNA حرکت می‌کند و تغییر شکل می‌دهد. به طور معمول، این به سلول کمک می‌کند تا DNA را ترمیم کند، اما در مورد HD، می‌تواند اوضاع را بدتر کند.

محققان دریافتند که شکل و موقعیت MutSβ به این بستگی دارد که آیا به DNA چسبیده است یا خیر، و همچنین مولکول‌های انرژی کوچک مانند ATP. مولکول‌های ATP مانند بسته‌های انرژی سلول هستند، کمی شبیه سوخت برای یک موتور، که می‌تواند همه چیز را در حال کار نگه دارد. هر دو قسمت MutSβ، MSH2 و MSH3، می‌توانند ATP را بگیرند و از آن برای انجام تعمیرات روی DNA استفاده کنند.

عکس‌های فوری MutSβ از این مطالعه نشان می‌دهد که با یک شکل گیره باز شروع می‌شود. این گیره باز می‌تواند DNA را بگیرد و در امتداد آن اسکن کند و به دنبال خطا در زیپ DNA بگردد. هنگامی که یک اشتباه پیدا می‌شود، گیره بسته می‌شود و می‌تواند با نیروی ATP در امتداد DNA بلغزد. این مراحل بعدی فرآیند تعمیر را آغاز می‌کند. پس از اتمام کار، MutSβ از ATP بیشتری برای جدا کردن خود از DNA استفاده می‌کند.

چرا ما به ساختار MutSβ اهمیت می‌دهیم؟

با کشف شکل MutSβ با جزئیات هر چه بیشتر، به ویژه هنگام انجام کار خود در ترمیم DNA، می‌توانیم حفره‌هایی را روی سطح پروتئین پیدا کنیم که یک داروی آینده می‌تواند به آن بچسبد تا از عملکرد این فرآیند جلوگیری کند. مانند جستجوی کلید مناسبی که کاملاً در یک سوراخ کلید خاص قرار می‌گیرد. اگر بدانیم پروتئین چگونه به نظر می‌رسد، می‌توانیم دارویی را کاملاً طراحی کنیم که باید در جایی محکم به پروتئین متصل شود و از عملکرد آن جلوگیری کند. در نهایت، توانایی متوقف کردن یا حتی معکوس کردن گسترش تکرار C-A-G می‌تواند یک مسیر درمانی عالی برای HD و همچنین سایر بیماری‌هایی باشد که ناشی از گسترش تکرار هستند، از جمله چندین آتاکسی نخاعی مخچه‌ای و آتروفی عضلانی نخاعی و پیازی.

خلاصه:

• MutSβ (MSH2 + MSH3) یک ماشین ترمیم DNA است که به طور معمول به جلوگیری از جهش‌های ایجاد کننده سرطان کمک می‌کند.
• در HD، MutSβ گاهی اوقات می‌تواند به طور تصادفی تکرارهای CAG را در ژن HTT طولانی‌تر کند که تصور می‌شود منجر به مرگ عصبی و پیشرفت سریع‌تر بیماری می‌شود.
• داده‌های جدید در مورد ساختار سه بعدی پروتئین‌های MutSβ و نحوه عملکرد این ماشین مولکولی به طراحی داروهایی کمک می‌کند که می‌توانند فعالیت آن را مهار کرده و از طولانی شدن تکرارهای CAG جلوگیری کنند.

اطلاعات بیشتر

مقاله تحقیقاتی اصلی، «روشن‌سازی حالات متعدد با وضوح بالا از MutSβ انسانی توسط cryo-EM، تعامل بین اتصال ATP/ADP و تشخیص DNA هترودوپلکس را نشان می‌دهد» (دسترسی آزاد).