Hledání chromozomové nesmrtelnosti

Objevy o problému koncové replikace naznačují, že jak telomeráza, tak komplex CST-Pola-primáza jsou nezbytné pro ochranu chromozomů, což naznačuje revizi ve vědě o telomerách a potenciální dopady na genetické poruchy. Kredit: SciTechDaily.com

Nedávný výzkum zpochybňuje dlouhodobé chápání problému koncové replikace v DNA a odhaluje spíše dva odlišné problémy než jeden.

Před půl stoletím si vědci Jim Watson a Alexey Olovnikov nezávisle na sobě uvědomili, že existuje problém s tím, jak se naše DNA kopíruje. Vtip lineární replikace DNA diktoval, že telomery, které chrání konce chromozomů, se měly s každým kolem replikace zkracovat, což je fenomén známý jako problém konce replikace.

Telomeráza: Objevuje se řešení

Ale řešení se blíží: Liz Blackburn a Carol Greider objevily telomerázu, enzym, který přidává telomerické repetice na konce chromozomů. “Případ uzavřen, všichni si mysleli,” říká Titia de Lange z Rockefellera.

Nyní byl zveřejněn nový výzkum Příroda naznačuje, že existují dva problémy s koncovou replikací, nikoli jeden. Dále je telomeráza pouze částí řešení – buňky také využívají komplex CST–Pola-primáza, který byl rozsáhle studován v de Langeově laboratoři. “Dlouhá desetiletí jsme si mysleli, že víme, jaký je problém s koncovou replikací a jak ho vyřešila telomeráza,” říká de Lange. “Ukazuje se, že jsme přehlédli polovinu problému.”

CST–Pola/primase, enzym, který řeší nově objevený problém end-replikace. Kredit: Sarah Cai

Problém vedoucího řetězce

Od popisu dvoušroubovice DNA je známo, že DNA má dvě komplementární vlákna běžící v opačných směrech – jedno od 5′ do 3′; druhý od 3′ do 5′. Když je DNA replikována, jsou tyto dva řetězce odděleny replikačním aparátem, který se také nazývá replikom. Replizom kopíruje 3′ až 5′ vlákno bez přerušení, což je proces označovaný jako syntéza vedoucího vlákna. Ale druhý řetězec je syntetizován v krátkých zpětných krocích z mnoha fragmentů (okazakiho fragmentů), které jsou později spojeny dohromady.

Proces je poměrně přímý až do konců chromozomů. Při kopírování telomery by replikace DNA vedoucího vlákna měla kopírovat repetice CCCTAA, aby se vytvořil řetězec repetice TTAGGG, zatímco syntéza zpožděného řetězce by měla dělat opak a vytvářet nové repetice CCCTAA. Problém koncové replikace nastává, protože syntéza vedoucího vlákna nedokáže reprodukovat poslední část telomery a zanechává tupou koncovou telomeru bez charakteristického a klíčového 3′ převisu. Telomeráza tento problém řeší přidáním jednořetězcových repetic TTAGGG na konec telomer. Pokud jde o zaostávající vlákno, syntéza DNA by neměla mít problém. Mohlo by to začít poslední Okazakiho fragment někde podél 3′ převisu.

„Stroje replikace DNA nemohou plně duplikovat konec lineární DNA, podobně jako si nemůžete natřít podlahu pod nohama,“ říká Hiro Takai, vedoucí vědecký pracovník v laboratoři de Lange a hlavní autor článku. .

CST–Pola/primase, enzym, který řeší nově objevený problém end-replikace. Kredit: Sarah Cai

Problém Lagging-Strand

Jak jdou popisy biologických procesů, tento model vypadal vodotěsně. Dokud Takai neučinil překvapivý objev při práci na buňkách, které postrádaly molekulární aparát nazývaný komplex CST–Pola-primáza. On a další již dříve ukázali, že CST-Pola-primáza může doplnit repetice CCCTAA v telomerách, které byly napadeny enzymy degradujícími DNA známými jako nukleázy. Tato nová data odhalila něco neočekávaného: nejen že vedoucí vlákno potřebovalo pomoc – našel důkazy, že konec zaostávajícího vlákna nemohl být replikomem syntetizován.

Takaiova práce naznačila, že problém koncové replikace byl dvakrát tak závažný, než se dříve myslelo, a má dopad na obě vlákna DNA. “Výsledky prostě neodpovídaly modelu replikace telomer,” říká de Lange. „V tu chvíli jsme si s Hirem uvědomili, že buď jeho výsledky nebyly správné, nebo byl špatný model. Protože se mi jeho výsledky zdály velmi solidní, museli jsme tento model přehodnotit.“

De Lange kontaktoval Josepha TP Yeelese, biochemika, který studuje replikaci DNA v Laboratory of Molecular Biology v Cambridge (stejná laboratoř, kde Watson a Crick pracovali na struktuře dvojité šroubovice DNA). Yeeles souhlasil, že by bylo dobré podívat se zblízka na to, jak se replikom chová na konci lineárního templátu DNA. Mohl by replikom použít 3′ přesah k vytvoření posledního Okazakiho fragmentu, jak bylo navrženo?

Výsledky Yeelesových experimentů s replikací in vitro byly velmi jasné. Replizom negeneruje Okazakiho fragmenty na 3′ přesahu; ve skutečnosti zastaví syntézu zpožděného vlákna dlouho předtím, než vedoucí vlákno dosáhne 5′ konce. Tento druhý end-replikační problém znamená, že oba řetězce DNA se budou s každým dělením zkracovat. Telomeráza tomu bránila pouze u vedoucího vlákna a Hirova data naznačovala, že CST–Pola-primáza vyřešila druhý problém koncové replikace, problém zaostávajícího vlákna.

Takai strávil další čtyři roky navrhováním nových testů, aby potvrdil Yeelesova zjištění in vivo. Podařilo se mu změřit, kolik DNA se ztratilo kvůli problému s koncovou replikací zaostávajícího vlákna a odhalil, kolik opakování CCCAAT musí být přidáno pomocí CST-Pola-primázy, aby telomery zůstaly neporušené.

Důsledky a budoucí směry

Výsledky mění naše chápání biologie telomer – vyžadují revizi učebnic. Ale nálezy mohou mít také klinické důsledky. Jedinci, kteří zdědí mutace v CST–Pola-primase, trpí poruchami telomer, jako je Coats plus syndrom, který je charakterizován oční poruchou a abnormalitami v mozku, kostech a GI traktu. Díky lepšímu pochopení toho, jak si udržujeme naše telomery, by jednoho dne mohlo být dosaženo pokroku v řešení těchto ničivých poruch.

Odkaz: „Kryo-EM struktura lidského komplexu CST–Pola/primáza ve stavu náboru“ od Sarah W. Cai, Johna C. Zindera, Vladimira Svetlova, Martina W. Bushe, Evgenyho Nudlera, Thomase Walze a Titia de Lange, 16. května 2022, Strukturální a molekulární biologie přírody.
DOI: 10.1038/s41594-022-00766-y