رمزگشایی اسرار ژن

به گزارش کلیک، برخی از جنبه های کلیدی در مورد نحوه فعالیت فرآیندها در سطح مولکولی تا به حال یک راز بوده است. دانشمند اوا نوگالس و تیمش با استفاده از میکروسکوپ کریو الکترون (cryo-EM) در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) به موفقیت قابل توجهی در درک ما در زمینه نحوه یافتن DNA درست برای کپی کردن توسط ماشین های مولکولی، دست یافتند و جزئیات بی سابقه نقش یک عامل نیروگاه رونویسی شناخته شده به عنوان TFIID را نشان دادند.

این یافته ها راه را برای دانشمندان به منظور درک و درمان یک میزبان سرطان هموار می کند. نوگالس گفت: "درک این فرآیند نظارتی در سلول تنها راه برای دستکاری و یا تعمیر آن زمانی که رو به وخامت می گذارد، است. بیان ژن منشاء بسیاری از فرایندهای بیولوژیکی ضروری، از رشد و نمو جنین گرفته تا سرطان است. یک روز ما قادر خواهیم بود این مکانیزم های اساسی را دستکاری کنیم، چه برای اصلاح ژن هایی که باید یا نباید وجود داشته باشند و یا مراقبت از حالت های بدخیم که در آن روند از کنترل خارج می شود. "

نوگالس، متخصص بیوفیزیک که دارای سمت در موسسه پزشکی هوارد هیوز و UC برکلی نیز است، بیان ژن را به مدت ۱۸ سال مورد مطالعه قرار داده است. در حالی که او و تیمش چند یافته مهم در سال های اخیر داشته اند، او این مورد را بزرگ ترین موفقیت تا کنون عنوان می کند. او گفت: "این چیزی است که ما در کتاب های درسی بیوشیمی وارد خواهیم کرد. ما در حال حاضر ساختار سازمانی کل پروتئین که در آغاز هر ژن تشکیل شده را می دانیم. این چیزی است که هیچ کس به آن دست نیافته بود، زیرا مطالعه با روش سنتی واقعا بسیار دشوار است."

نحوه جریان اطلاعات ژنتیکی در موجودات زنده به صورت "باور مرکزی در زیست شناسی مولکولی" اشاره می شود. سلول ها به طور مداوم ژن را در پاسخ به آنچه که در محیط اتفاق می افتد روشن و خاموش می کنند و برای انجام این کار، سلول از DNA استفاده می کند، کتابخانه بزرگی از نقشه ژنتیکی، بخش درست را می یابد و یک نسخه کپی به شکل RNA مسنجر ایجاد می کند؛ mRNA سپس برای تولید پروتئین مورد نیاز مورد استفاده قرار می گیرد.

مشکل این "کتابخانه" این است که شماره صفحه یا فهرست مطالب ندارد. با این حال، استفاده از نشانگر در قالب توالی DNA خاص (به نام نقوش پروموتر هسته) نشان دهنده جایی است که در آن یک ژن شروع می شود و خاتمه می یابد. پس چگونه پلیمراز- آنزیمی که از رونویسی حمل می شود؛ می داند که از کجا باید شروع کند؟ نوگالس گفت: "DNA بزرگ است، یک مولکول بزرگ. خارج از این سوپ، شما باید جایی که ژن شروع می شود را بیابید، بنابراین پلیمراز می داند کجا باید کپی کردن را آغاز کند".

وی افزود: " فاکتور رونویسی TFIID، کمپلکسی پروتئینی است که دقیقا مناطق DNA هسته پروموتر را می شناسد و به آنها متصل می شود."

آنچه نوگالس و تیمش قادر به انجام بودند، تجسم کردن با جزئیات بی سابقه است، TFIID به DNA هنگامی که منطقه شروع و یا پروموتر را شناسایی کرد، متصل می شود. آنها همچنین دریافتند که TFIID چگونه به عنوان نوعی پد فرود برای تمامی ماشین های مولکولی که نیاز به مونتاژ در این موقعیت دارند، خدمت می کند؛ که کمپلکس پیش آغازین رونویسی (PIC) نامیده می شود. این PIC در نهایت موقعیت پلیمراز می باشد به طوری که می تواند رونویسی را شروع کند.

نوگالس گفت: "TFIID نه تنها اتصال DNA، به کارگیری DNA و پد فرود بوده، بلکه به نحوی تمام کارهای متفاوت را برای ژن های مختلف در هر نقطه داده شده در زندگی موجود زنده انجام می دهد".

لودر افزود: "ما اولین مدل ساختاری PIC مبتنی بر TFIID کامل انسانی را تولید کرده ایم. بازده مدل ما درک نوینی در زمینه مونتاژ PIC انسانی ارائه می کند، از جمله نقش TFIID در بکارگیری سایر اجزای PIC برای DNA پروموتر و نحوه انعطاف پذیری ساختاری TFIID که در تنظیم شروع رونویسی ایفای نقش می کند، به مدت طولانی مشاهده شده است. "

پروتئین ها به طور سنتی با استفاده از کریستالوگرافی اشعه ایکس مطالعه می شوند، اما این روش برای این نوع پژوهش ممکن نیست. نوگالس گفت: "TFIID در کریستالوگرافی پروتئین قابل دسترس نیست چرا که مواد به اندازه کافی برای تبلور آن وجود ندارد، عناصر بسیار انعطاف پذیر و بزرگ هستند. ما می توانیم از طریق cryo-EM بر تمام این مسائل غلبه کنیم."

cryo-EM ، که در آن نمونه ها در دمای بسیار پایین و بدون نیاز به رنگ و یا ثابت کننده ها تصویربرداری می شوند، از دهه ۱۹۸۰ در زیست شناسی ساختاری مورد استفاده قرار گرفته است. با تجزیه و تحلیل گسترده محاسباتی تصاویر، محققان قادر به دستیابی به ساختارهای سه بعدی هستند. با این حال، cryo-EM طی چند سال گذشته با ظهور آشکارسازهای جدید دستخوش تحول شده است. در واقع، در آزمایشگاه برکلی بهبود وضوح و کاهش مقدار داده مورد نیاز تا یک صد برابر افزایش یافته است.

وی افزود: "بسیاری از سیستم های بیولوژیکی که تصور می کردیم مطالعه شان در وضوح بالا غیر ممکن است، در دسترس قرار گرفته اند. در حال حاضر وضوح به ما اجازه می دهد تا اطلاعات اتمی را به دست آوریم. این حوزه ای است که در آن آزمایشگاه برکلی، یکی از پیشگامان بوده است."

در حالی که این مطالعه بینش جدیدی در زمینه بیان ژن ارائه کرده است، نوگالس اشاره می کند که هنوز کارهای زیادی باید انجام شود. پس از این او قصد دارد تا نحوه تشخیص توالی های متفاوت برای انواع ژن های مختلف توسط TFIID و همچنین نحوه تنظیم آن توسط کوفاکتور ها و فعال سازها را مورد مطالعه قرار دهد.

او گفت: "ما تنها در آغاز راه هستیم. کمپلکس TFIID، بسیار بسیار حیاتی است. ما در حال حاضر موانع را از سر راه برداشته ایم به این معنا که می توانیم شروع به تولید مدل های اتمی کرده و به جزئیات نحوه اتصال DNA دست یابیم."

منبع: phys