Beveik visa gyvybė Žemėje pagrįsta DNR nukopijavimu arba atkartojimu. Dabar pirmą kartą mokslininkams pavyko stebėti vienos DNR molekulės replikaciją ir gauti kai kurių stebinančių išvadų. Viena vertus, darbe yra daug daugiau atsitiktinumo, nei buvo manyta.
„Tai kitoks mąstymo apie replikaciją būdas, kuris kelia naujų klausimų“, – sakė Stephenas Kowalczykowskis, žymus Kalifornijos universiteto Deiviso mikrobiologijos ir molekulinės genetikos profesorius. Darbas paskelbtas birželio 15 d. žurnale Cell kartu su bendraautoriais James Graham, UC Davis ir Kenneth Marians, Sloan Kettering vėžio centro mokslininkas.
Naudodami sudėtingą vaizdo gavimo technologiją ir daug kantrybės, mokslininkai sugebėjo stebėti E. coli bakterijų DNR, kaip ji dauginasi, ir išmatuoti, kaip greitai fermentų mechanizmai veikė skirtingas grandines.
DNR replikacijos pagrindai
DNR dviguba spiralė sudaryta iš dviejų gijų, kurios eina priešingomis kryptimis. Kiekviena sruogelė sudaryta iš keleto pagrindų A, T, C ir G, kurie susiporuoja tarp gijų: A iki T ir C iki G.
Pirmasis replikacijos žingsnis yra fermentas, vadinamas helikaze, kuris išvynioja ir „atsuka“dvigubą spiralę į dvi atskiras sruogas. Fermentas, vadinamas primaze, prie kiekvienos grandinės pritvirtina "pradmenį", kuris leidžia pradėti replikaciją, tada kitas fermentas, vadinamas DNR polimeraze, prisijungia prie pradmenų ir juda išilgai grandinės, pridėdamas naujų "raidžių", sudarydamas naują dvigubą spiralę.
Vaizdo iliustraciją rasite čia:
Kadangi dvi dvigubos spiralės gijos eina priešingomis kryptimis, polimerazės abiejose gijose veikia skirtingai. Vienoje grandinėje – „pirmaujančioje grandinėje“– polimerazė gali nuolat judėti, palikdama už savęs naujos dvigrandės DNR pėdsaką.
Bet kita vertus, „atsilikusi grandinė“, polimerazė turi judėti į priekį, prisitvirtindama, sudarydama trumpą dvigrandės DNR atkarpą, tada nukristi ir vėl pradėti. Įprasta išmintis yra ta, kad pirmaujančių ir atsiliekančių gijų polimerazės yra kažkaip suderintos, kad viena neaplenktų kitos.
Eksperimentas: besisukantys apskritimai ir fluorescenciniai dažai
Eksperimentui atlikti tyrėjai panaudojo apskritą DNR gabalėlį, pritvirtintą prie stiklelio trumpa uodega. Kai replikacijos mechanizmai sukasi aplink ratą, uodega ilgėja. Jie galėjo įjungti arba išjungti replikaciją, pridėdami arba pašalindami cheminį kurą (adenozino trifosfatą, ATP) ir naudojo fluorescencinius dažus, kurie prisitvirtina prie dvigubos DNR, kad apšviestų augančias sruogas. Galiausiai visa sąranka yra srauto kameroje, todėl DNR gijos išsitiesia kaip vėliavėlės vėjyje.
Sustojimai, paleidimai ir kintami greičiai
Kai Grahamas, Kowalczykowskis ir Marians pradėjo stebėti atskiras DNR grandines, jie pastebėjo kažką netikėto. Replikacija sustoja nenuspėjamai, o vėl paleidus gali pasikeisti greitis.
"Greitis gali skirtis maždaug dešimt kartų", - sakė Kowalczykowski.
Kartais atsiliekančios grandinės sintezė sustoja, tačiau pirmaujanti grandis toliau auga. Tai rodoma kaip tamsi sritis švytinčioje grandinėje, nes dažai neprilimpa prie vienos grandinės DNR.
"Mes parodėme, kad tarp sruogų nėra koordinavimo. Jie yra visiškai savarankiški", - sakė Kowalczykowski.
Tai, kas atrodo kaip koordinavimas, iš tikrųjų yra atsitiktinio paleidimo, sustojimo ir kintamo greičio proceso rezultatas. Laikui bėgant bet kuri viena kryptis judės vidutiniu greičiu; pažiūrėkite į kelias sruogas tuo pačiu metu ir jų vidutinis greitis bus toks pat.
Kowalczykowski tai palygino su eismu greitkelyje.
"Kartais eismas eismo juosta, esančia virš vienos, juda greičiau ir pralenkia jus, o tada jūs ją aplenkiate. Tačiau jei keliaujate pakankamai toli, tuo pačiu metu pateksite į tą pačią vietą."
Tyrėjai taip pat rado savotišką „mirusio žmogaus rankeną“arba automatinį helikazės stabdį, kuris ištraukia DNR prieš kitus fermentus. Kai polimerazė sustoja, helikazė gali judėti toliau, o tai gali atverti išvyniotos DNR spragą, kuri gali būti pažeidžiama. Tiesą sakant, apnuoginta vienos grandinės DNR ląstelės viduje skleidžia pavojaus signalą, kuris suaktyvina remonto fermentus.
Tačiau paaiškėja, kad kai jis atsijungia ir pradeda bėgti nuo likusio replikacijos komplekso, helikazė sulėtėja maždaug penkis kartus. Taigi jis gali trinktelėti, kol pasivys likę fermentai, tada vėl pagreitės.
Šis naujas stochastinis metodas yra naujas mąstymo apie DNR replikaciją ir kitus biocheminius procesus būdas, sakė Kowalczykowski. „Tai tikras paradigmos pokytis ir kenkia daugeliui to, kas yra vadovėliuose“, – sakė jis.
