Cum repară bacteriile ADN-ul?

În ultima jumătate de secol, biologii au studiat mecanismele implicate pentru a pune cap la cap majoritatea pașilor majori implicați în efectuarea unor reparații fidele în ADN. Cu toate acestea, o parte a procesului a rămas neclară. 

ADN-ul sau acidul dezoxiribonucleic este materialul ereditar la om și aproape toate celelalte organisme. Informațiile din ADN sunt stocate ca un cod format din patru baze chimice: adenină, guanină, citozină și timină. O proprietate importantă a ADN-ului este că se poate replica sau face copii ale sale.

Un truc folosit de majoritatea ființelor vii pentru a-și păstra codul în ordine este procesul de recombinare omoloagă, echivalentul biologic al comparării a două versiuni distincte ale unui script pentru a se asigura că o copie nu a introdus în mod eronat erori. Prin menținerea unei versiuni nedeteriorate a unei secvențe lângă o lucrare de reparații, o celulă se poate asigura că nu au avut loc modificări atunci când capetele tăiate au fost lipite împreună.

Biologii moleculari știau de ceva vreme că proteina recombinazică RecA joacă un rol cheie în gestionarea acestui proces. Aceasta este o enzimă atât de importantă în menținerea integrității ADN-ului, încât s-a găsit o versiune a acesteia în aproape fiecare specie studiată.

Când o „scară” de ADN dublu catenar se rupe complet, un complex de proteine începe să funcționeze, apucând capetele tăiate și tăind îngrijit, astfel încât RecA să se poată stabili și să-și îndeplinească rolul. Proteina se extinde într-un grup lung, formând un filament de proteină și acid nucleic în stare să se țină atât de catena ruptă, cât și de o a doua scară intactă de ADN neîntrerupt.

De acolo, filamentul trebuie să găsească secvența potrivită pentru a servi drept punct de comparație. Modul în care filamentul gestionează această căutare într-un timp suficient de scurt a fost un mister până în prezent.

Un studiu¹ apărut în septembrie 2021 în jurnalul științific Nature aruncă o oarecare lumină asupra reparațiilor ADN-ului realizate de bacterii. Marcând enzimele cheie și ADN-ul cu substanțe fluorescente și urmărind desfășurarea procesului de reparare în timp real într-un model de Escherichia coli, cercetătorii de la Universitatea Uppsala din Suedia au completat detalii lipsă despre modul în care bacteriile găsesc șabloanele pe care se bazează pentru a nu avea erori în reparațiile genetice.

Cum se produce reparația ADN-ului și cât durează? 

Pentru a înțelege mai bine momentul și navigarea enzimei, cercetătorii au crescut mii de celule E.coli într-o serie de canale minuscule care le-au permis să țină evidența bacteriilor individuale pe măsură ce se făceau experimente pe ele. Cu celulele la locul lor, oamenii de știință au făcut întreruperi precise în ADN-ul acestora folosind tehnologia CRISPR , etichetând capetele tăiate cu markeri fluorescenți pentru a vizualiza locația întreruperii la microscop.

Potrivit investigatorilor, cipul de cultură microfluidică permite urmărirea simultană a mii de bacterii individuale și controlul întreruperilor de ADN induse de CRISPR. În cele din urmă, aceștia au folosit anticorpi pentru a identifica locația filamentelor RecA pe măsură ce s-au așezat la locul lor. O alertă chimică a informat echipei când întregul proces de reparații a fost finalizat. În medie, au fost necesare doar 15 minute pentru ca E. coli să termine treaba. De obicei, erau necesare doar nouă minute pentru ca proteina să găsească șablonul potrivit.

Secretul pare a fi în construcția filamentului de nucleoproteină RecA. Acest fir se întinde peste celulă, apucând cromozomul și alunecând în jos, în căutarea unei potriviri cu secvența aflată la îndemână. Deși acest lucru s-ar putea să nu pară atât de eficient, nu este cu diferit de mersul metodic în sus și în jos pe culoarele unei biblioteci în căutarea unei cărți care să se potrivească cu numărul de apel din catalog.

Deoarece capetele ADN sunt încorporate în această fibră, spun oamenii de știință, este suficient ca orice parte a filamentului să găsească șablonul și, astfel, căutarea este teoretic redusă de la trei la două dimensiuni. Modelul sugerează că aceasta este cheia reparației rapide și reușite a omologiei.

În timp ce această cercetare a fost efectuată asupra bacteriilor, faptul că RecA este atât de similar în întreaga biosferă îl face relevant pentru propriile noastre corpuri. Acum, că oamenii de știință au aflat cum funcționează procesul, pot începe să caute indicații de situații în care repararea ADN-ului merge slab, deschizând calea spre înțelegerea originii unor boli precum cancerul.

Ce este CRISPR?

CRISPR-Cas9 este un instrument de editare a genomului, mai rapid, mai ieftin și mai precis decât tehnicile anterioare de editare a ADN-ului și are o gamă largă de aplicații potențiale. Sistemul CRISPR-Cas9 este format din două molecule cheie care introduc o modificare în ADN. Acestea sunt:

  • o enzimă numită Cas9, care acționează ca o pereche de „foarfece moleculare” care pot tăia cele două fire de ADN la o anumită locație din genom, astfel încât bucăți de ADN să poată fi adăugate sau îndepărtate. 
  • un fragment de ARN numit ARN ghid (gARN). Acesta constă dintr-o mică bucată de secvență de ARN pre-proiectată (lungă de aproximativ 20 de baze) situată într-o schelă de ARN mai lungă. Partea schelei se leagă de ADN și secvența pre-proiectată „ghidează” Cas9 în partea dreaptă a genomului. Acest lucru asigură faptul că enzima Cas9 taie la punctul potrivit din genom.

Oamenii de știință pot folosi echipamentul de reparare a ADN-ului pentru a introduce modificări la una sau mai multe gene în genomul unei celule de interes. CRISPR-Cas9 are un mare potențial ca instrument pentru tratarea unei game de afecțiuni care au o componentă genetică, inclusiv cancerul, hepatita B sau chiar colesterolul ridicat. Deoarece orice modificare făcută în celulele germinale va fi transmisă din generație în generație, tehnologia are implicații etice importante. 

Însă, va fi nevoie de mai mulți ani înainte ca tehnologia CRISPR-Cas9 să fie utilizată în mod obișnuit la oameni. Multe cercetări se concentrează încă pe utilizarea sa în modele animale sau celule umane izolate, cu scopul de a utiliza în cele din urmă tehnologia pentru a trata în mod obișnuit bolile la oameni. Deocamdată, faptul că eficacitatea tehnologiei variază, că apar efecte în afara obiectivelor și că unele modificări pot fi imprecise prezintă riscuri pentru siguranță. Nu mai puțin important, încă există multe necunoscute de luat în calcul legate de această tehnologie care trebuie cercetată în continuare.

 

Sursă foto: Shutterstock
Bibliografie:
Nature - RecA finds homologous DNA by reduced dimensionality search
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03877-6
1. Studiul „RecA finds homologous DNA by reduced dimensionality search”, apărut în Nature 597, 426–429 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03877-6, autori: Wiktor, J., Gynnå, A.H., Leroy, P. et al. 
YG - What is CRISPR-Cas9? 
https://www.yourgenome.org/facts/what-is-crispr-cas9


Te-ar mai putea interesa și...


 

 

 

DE SEZON
Pentru a comenta este nevoie de
Comentarii 0