دستگاه‌های مولکولی: پیچاندن معجزه‌آسای DNA و کروموزوم‌ها

کشف ویژگی جدیدی از موتورها مولکولی در کروموزوم‌ها

دانشمندان از مؤسسه کاولی دانشگاه فناوری دلفت و مرکز زیست‌شناسی وین، ویژگی جدیدی از موتورها مولکولی که شکل‌دهنده کروموزوم‌های ما هستند، کشف کردند. شش سال پیش، آن‌ها متوجه شدند که این پروتئین‌های موتوری به نام SMC، حلقه‌های بلندی در DNA ما ایجاد می‌کنند. حالا، آن‌ها کشف کرده‌اند که این موتورها همچنین پیچش‌های قابل توجهی به حلقه‌هایی که تشکیل می‌دهند، اضافه می‌کنند. این یافته‌ها به ما کمک می‌کند تا ساختار و عملکرد کروموزوم‌هایمان را بهتر درک کنیم. همچنین، این کشفیات بینش‌هایی درباره چگونگی تأثیر اختلال در حلقه‌سازی پیچیده DNA بر سلامت ارائه می‌دهند، به‌ویژه در بیماری‌های توسعه‌ای مانند کوهزینوپاتی‌ها. دانشمندان نتایج خود را در نشریه Science Advances منتشر کردند.

چالش‌های سلول‌های ما

تصور کنید بخواهید دو متر طناب را در فضایی بسیار کوچکتر از نوک سوزن جا دهید — این چالشی است که هر سلول در بدن شما هنگام بسته‌بندی DNA خود در هسته کوچک‌اش با آن مواجه است. برای دستیابی به این هدف، طبیعت از استراتژی‌های هوشمندانه‌ای استفاده می‌کند، مانند پیچاندن DNA به شکل حلقه‌های پیچیده که به آن‌ها سوپرکویل می‌گویند (برای مشاهده، به تصاویر مراجعه کنید) و پیچیدن آن به دور پروتئین‌های خاص برای ذخیره‌سازی فشرده.

حلقه‌های کوچک DNA و تنظیم عملکرد کروموزوم‌ها

با این حال، فشرده‌سازی به تنهایی کافی نیست. سلول‌ها همچنین باید ساختار کروموزوم‌ها را تنظیم کنند تا عملکرد آن‌ها امکان‌پذیر باشد. به عنوان مثال، زمانی که نیاز به دسترسی به اطلاعات ژنتیکی است، DNA به‌طور محلی خوانده می‌شود. به‌ویژه زمانی که زمان تقسیم سلول فرامی‌رسد، DNA ابتدا باید باز شود، تکثیر شود و سپس به‌درستی به دو سلول جدید جدا شود. ماشین‌های پروتئینی تخصصی به نام کمپلکس‌های SMC (نگهداری ساختاری کروموزوم‌ها) در این فرآیندها نقش حیاتی ایفا می‌کنند.

کشفات جدید درباره پروتئین‌های SMC و نقش آن‌ها در DNA

چند سال پیش، دانشمندان دانشگاه دلفت و دیگر مراکز متوجه شدند که پروتئین‌های SMC به عنوان موتورهای مولکولی عمل می‌کنند که حلقه‌های بلندی در DNA ایجاد کرده و این حلقه‌ها کلید تنظیم عملکرد کروموزوم‌ها هستند.

چرخش جدید در تحقیقات

در آزمایشگاه سیس دکر در دانشگاه TU Delft، پژوهشگران پسادکتری به نام‌های ریچارد یانیسن و رومن باث، سرنخ‌هایی ارائه کردند که به حل این معما کمک می‌کند. آن‌ها روشی جدید برای استفاده از “پنس‌های مغناطیسی” توسعه دادند که به آن‌ها این امکان را می‌دهد تا مراحل حلقه‌زنی پروتئین‌های SMC را در DNA مشاهده کنند.

نکته مهم این است که آن‌ها موفق شدند تعیین کنند آیا پروتئین SMC باعث تغییر چرخش DNA می‌شود یا خیر. به طرز شگفت‌انگیزی، تیم دریافت که این پروتئین این کار را انجام می‌دهد: پروتئین SMC انسانی به نام کاهسین نه تنها DNA را به شکل حلقه درمی‌آورد، بلکه همچنین DNA را به طور چپ‌گرد به میزان ۰.۶ دور در هر مرحله از ایجاد حلقه می‌چرخاند.

نگاهی به تکامل پروتئین‌های SMC

علاوه بر این، تیم دریافت که این عمل چرخش منحصر به انسان‌ها نیست. پروتئین‌های SMC مشابه در مخمر نیز به همین شکل رفتار می‌کنند. جالب این است که تمام انواع مختلف پروتئین‌های SMC از انسان و مخمر، همان میزان چرخش را اضافه می‌کنند – آن‌ها در هر مرحله از استخراج حلقه DNA، آن را ۰.۶ بار می‌چرخانند. این نشان می‌دهد که مکانیسم‌های استخراج و چرخش DNA در طول زمان‌های بسیار طولانی در تکامل ثابت مانده‌اند.

فرقی نمی‌کند که DNA در انسان‌ها، مخمر یا هر سلول دیگری حلقه‌زنی شود – طبیعت از همان استراتژی استفاده می‌کند.

سرنخ‌های اساسی

این یافته‌های جدید سرنخ‌های اساسی برای درک مکانیسم مولکولی این نوع جدید از موتورها ارائه می‌دهند. علاوه بر این، آن‌ها نشان می‌دهند که حلقه‌زنی DNA همچنین بر وضعیت فوق‌چرخش کروموزوم‌های ما تأثیر می‌گذارد، که به طور مستقیم بر فرآیندهایی مثل بیان ژن تأثیر دارد. در نهایت، این پروتئین‌های SMC با بیماری‌های مختلفی مانند سندرم کُرنیلیا د لنگ مرتبط هستند و درک بهتر این فرآیندها برای پیگیری ریشه‌های مولکولی این بیماری‌های جدی حیاتی است.