Εξελικτική Διατήρηση

dnamoleculartj8

Ο μοριακός μηχανισμός που αποτελεί την αφετηρία της διαδικασίας κυτταρικής διαίρεσης, διαπιστώνεται ότι καθιερώθηκε πολύ νωρίς στην εξέλιξη των κυττάρων ενώ διατηρείται ανέπαφος σε όλες τις μορφές γήινης ζωής, κατά τη διάρκεια των αιώνων. Ερευνητές από το Εθνικό Εργαστήριο Μπέρκλεϊ και το πανεπιστήμιο Καλιφόρνια Μπέρκλεϊ έχουν δείξει πως ο πυρήνας του μηχανισμού έναρξης της αντιγραφής του DNA είναι ο ίδιος και στις τρεις μορφές ζωής: Αρχαιοβακτήρια, Βακτήρια και Ευκαρυωτικούς οργανισμούς.

Σε δύο δημοσιεύσεις που θα παρουσιαστούν ταυτοχρόνως στην επιστημονική επιθεώρηση Nature Structural and Molecular Biology, έκδοση Αυγούστου, οι ερευνητές διαπίστωσαν πως ο μοριακός «πρωτεργάτης» της αντιγραφής του DNA, στο βακτήριο Escherichia coli (E. coli) και την ευκαρυωτική φρουτόμυγα Drosophila melanogaster, είναι μία ελικοειδής υποδομή της υπεροικογένειας των AAA+ πρωτεϊνών. Προηγούμενες μελέτες είχαν διαπιστώσει πως οι AAA+ πρωτεΐνες βρίσκονται στην καρδιά του μοριακού μηχανισμού αντιγραφής του DNA στα αρχαιοβακτήρια, ενώ τα πρόσφατα δεδομένα υποδηλώνουν πως η αντιγραφή του DNA είναι μία πανάρχαια διαδικασία που εμφανίστηκε εκατομμύρια χρόνια πριν, όταν ακόμα δεν είχε επέλθει ο διαχωρισμός των Αρχαιοβακτηρίων, των Βακτηρίων και των Ευκαρυωτών.

«Η ικανότητα ενός κυττάρου να αντιγράφει το DNA του εν ευθέτω χρόνο και με αξιοπιστία αποτελεί κορυφαία διαδικασία για την επιβίωση, όμως παρά των πολλών μελετών η δομική και μοριακή βάση του πρωταρχικού μορίου για την αντιγραφή του DNA, και ο βαθμός διατήρησης εξελικτικά αυτών των μηχανισμών δεν έχουν προσεγγιστεί και συζητηθεί με ακρίβεια», αναφέρει η βιοφυσικός Εύα Νογκάλες, συνεργάτης της ερευνητικής ομάδας που μελέτησε την Drosophila. Ο Μάικλ Μπότχαν, συνεργάτης της ίδιας ερευνητικής ομάδας λέει: «Οι δύο δημοσιεύσεις μας συγχωνεύουν σύνολο βιοφυσικών ερευνητικών τεχνικών προκειμένου η κατανόησή μας για τους μηχανισμούς έναρξης της αντιγραφής και δομής των ρεπλισωμάτων να γίνει πειστικότερη».

Ο βιοχημικός και δομικός βιολόγος Τζέημς Μπέρκερ, που συμμετείχε και στις δύο μελέτες, προσθέτει: «τα ευρήματά μας για την εξελικτική συγγένεια μεταξύ των μορίων έναρξης της αντιγραφής του DNA και στις τρεις κατηγορίες οργανισμών έχουν νόημα, γιατί παραφράζοντας τα λόγια του Francois Jacob, το μοναδικό πράγμα που επιθυμεί ένα κύτταρο είναι να γίνει δύο κύτταρα. Ένα κύτταρο δεν μπορεί να κάνει κάτι τέτοιο αν προηγουμένως δεν αντιγράψει το DNA του στο κατάλληλο μέρος, την κατάλληλη στιγμή και με τον κατάλληλο τρόπο ενώ ταυτόχρονα θα πρέπει να αποφεύγει την υπερ – αντιγραφή. Τα αποτελέσματα της Drosophila παρουσιάζονται στη δημοσίευση με τίτλο: «Nucleotide – dependent conformational changes in the DnaA-like core of the origin recognition complex » – (Νουκλεοτιδική επίδραση που επιφέρει δομικές αλλαγές στον πυρήνα της πρωτεΐνης που μοιάζει με την DnaA του συμπλόκου αναγνώρισης περιοχής) – , ενώ αυτά του E.coli με τίτλο: «Structural basis for ATP-dependent DnaA assembly and replication-origin remodeling » – (Δομική βάση για την μεταβολή της διάταξης της πρωτεΐνης DnaA που εξαρτάται από το ΑΤΡ καθώς και αναδόμηση της περιοχής αντιγραφής).

Καθώς οι μελέτες έγιναν χωρίς να υπάρξει κάποιος συντονισμός μεταξύ των δύο ερευνητικών ομάδων, προέκυψε όφελος από την «ταυτόχρονη έκδοση των αποτελεσμάτων», εξηγεί ο Μπέρκερ. «Είχαμε εντοπίσει τις πρωταρχικές δομές στη μελέτη της E.coli, την ίδια στιγμή που η άλλη ερευνητική ομάδα δημοσιεύσε τα αποτελέσματά της για τη Drosophila. Καθώς συγκρίναμε τα ευρήματά μας, συνεργαστήκαμε άμεσα. Έτσι είχαμε τη δυνατότητα να δοκιμάσουμε το βακτηριακό μας μοντέλο σε μία περιοχή της ευκαρυωτικής τους δομής, γεγονός που επιβεβαιώνει τις εξελικτικές και λειτουργικές ομοιότητες μεταξύ των δύο μηχανισμών».

Στη μελέτη της E.coli ο Μπέρκερ και η ερευνητική του ομάδα με τη βοήθεια της κρυσταλλογραφίας κατόρθωσαν να κατασκευάσουν ένα μοντέλο υψηλής ανάλυσης της μοριακής δομής μίας πρωτεΐνης γνωστής ως DnaA, μέλος της υπεροικογένειας των AAA+. Αν κι ήταν γνωστό πως η DnaA ρυθμίζει την έναρξη της αντιγραφής στα βακτήρια, οι μοριακές λεπτομέρειες για τις πολλαπλές δράσεις τις ήταν άγνωστες. Διαπιστώθηκε πως όταν η τριφωσφορική αδενοσίνη (ή ΑΤΡ) προσαρτάται στην DnaA, οι δακτυλιοειδείς πρωτεΐνες AAA+ προσδένονται σε μία δεξιόστροφη σπειροειδής υπερδομή. Αυτή η διάταξη ήταν μη αναμενόμενη, επειδή σε άλλα λειτουργικά σύμπλοκα των AAA+, το δαχτυλίδι παρέμενε κλειστό. Επιπλέον η εμφανιζόμενη αρχιτεκτονική έδειχνε πως η υπερέλικα των AAA+ θα πρέπει να τυλίγεται εξωτερικά γύρω από τις σπείρες της διπλής έλικας του DNA, προκαλώντας την τοπική παραμόρφωση του DNA ως πρώτο βήμα για το διαχωρισμό και ξετύλιγμα των δύο μητρικών αλυσίδων. Για τα ευκαρυωτικά κύτταρα οι προγενέστερες μελέτες θεωρούσαν πως η αφετηρία για το σύνολο των γεγονότων που περιγράφουν την αντιγραφή του DNA ήταν ένα σύμπλοκο πρωτεϊνών με την ονομασία σύμπλοκο αναγνώρισης περιοχής (ΣΑΠ).

Στην παρούσα μελέτη της Drosophila, αποδείχθηκε με τη βοήθεια της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας ότι η σύνδεση του ΣΑΠ με το ATP δημιουργεί μία ελικοειδή AAA+ δομή που μοιάζει αρκετά με την υπερέλικα DnaA που εντοπίστηκε στην E.coli . «Αυτή η εργασία μας παρέχει τις πρώτες πληροφορίες για το μηχανισμό μεταβολής των ΣΑΠ μετά την επίδραση του ATP, στους ανώτερους οργανισμούς. Καθώς οι μελέτες μας δεν έχουν αποκαλύψει το μόριο που περιτυλίγεται του DNA, η δομική ομοιότητα με την DnaA που εντοπίστηκε στη μελέτη της E.coli προτείνει πως είναι δυνατόν να υπάρχουν αρκετές μηχανιστικές ομοιότητες στον τρόπο με τον οποίο τα μόρια εμπλέκονται στη διαδικασία αναδόμησης των περιοχών αντιγραφής, καθώς επίσης και στο τρόπο που διευκολύνουν την προσκόλληση του ρεπλισώματος», καταλήγει η Νογκάλες. Τέλος, οι δύο μελέτες δείχνουν επίσης πως όταν η φύση εντοπίζει ένα μηχανισμό που είναι αποτελεσματικός, αυτός διατηρείται κατά τη διάρκεια της εξέλιξης.

Αρέσει σε %d bloggers: