Gündem

Hücreler, genomu örmek ve bağlamak için döngü ekstrüzyonunu kullanır

0

Tüm organizmaların karşılaştığı zorluklardan biri, uzun DNA moleküllerinin – insan DNA’sı durumunda iki metre uzunluğundaki – hücre çekirdeğine düzenli ve düzenli bir şekilde nasıl sıkıştırılacağıdır. DNA da hasardan korunmalıdır. Yazma Doğa, Arnould ve diğerleri.1 Hücrelerin bu amaçlara ulaşmasındaki ustalığı vurgulayın: DNA’nın paketlenmesi ve katlanmasıyla ilgili mekanizmalardan biri, yani döngü ekstrüzyonu, aynı zamanda hasarın onarımında da rol oynar.

Hücreler DNA spagettilerini çeşitli şekillerde düzgün bir şekilde sıkıştırırlar. Çekirdeği olan hücrelerde, DNA ilk önce histon proteinlerinin çekirdeklerinin etrafına sarılır ve nükleozom adı verilen yapıları oluşturur ve bunlar birlikte bir dizideki boncuklara benzeyen bir kromatin lifi oluşturur. Döngü ekstrüzyonu, bir moleküler motorun bir kromatin lifi bağladığı ve onu yanlardan sararak aradaki giderek daha büyük bir ilmiği zorladığı müteakip sıkıştırma işlemidir (Şekil 1a).

Şekil 1

Şekil 1 | DNA halkası ekstrüzyonu için roller. a, Gen ifadesini düzenlemek için, moleküler motorlar (burada dişli çarklar olarak tasvir edilmiştir) her iki taraftan DNA’yı sarar ve süreçte bir ilmeği dışarı iter. Bu döngü ekstrüzyonu, güçlendiriciler ve destekleyiciler gibi gen ekspresyonunu kontrol eden dizileri bir araya getirebilir. b, Bir motor DNA’nın bir CTCF proteinine bağlı bir bölümünde makaraya döndüğünde, durur. Diğer motor, DNA’nın düzenleyici diziler için taranmasına izin vererek sarmaya devam edebilir.. c, Arnould ve diğerleri.1 Döngü ekstrüzyonunun DNA çift sarmallı kırılmaların (DSB’ler) onarımında da rol oynadığını bulmuşlardır. Bu tür kırılmalar, histon proteinlerine fosfat grupları ekleyen ATM proteininin görevlendirilmesini tetikler (gösterilmemiştir). Yazarlar, moleküler motorların kırılmanın her iki tarafını çevrelediğini ve ATM enzimini geçen DNA’yı tarayarak, büyük bölgelerde histon fosforilasyonuna izin verdiğini ve böylece proteinleri onarmak için sinyal verdiğini (gösterilmemiştir) gösterdi.

Döngü ekstrüzyon süreci onlarca yıl önce varsayılsa da25, bakterilerden insanlara kadar organizmalardaki DNA’yı düzenleyen evrensel bir mekanizma olduğu ancak son birkaç yılda ortaya çıktı. 2016’da, hesaplama modelleri, ekstrüzyonun DNA’yı sıkıştırarak bir saç yumağı kromatini dolaşık ama sıkıca paketlenmiş kromozomlara dönüştürebileceğini gösterdi.6. Simülasyonlar ayrıca, ekstrüzyonun kromatin üzerindeki engellerle (işlemin normal bir parçası) durdurulduğunda, kromozom yapısını karakterize etmek için kullanılan bir teknik olan Hi-C verilerinde görülen kromozomal alanlar ürettiğini de gösterdi.7.

Bu çalışmalar6,7 Ayrıca, ‘kromozomların yapısal bakımı’ (SMC) komplekslerinin – bir zamanlar pasif halkalar veya zımba olduğu düşünülen – aslında döngü ekstrüzyon motorları olduğunu öne sürdü. Ayrıca, belirli DNA dizilerine bağlanan ve CCCTC-bağlanma faktörleri (CTCF’ler) olarak bilinen proteinlerin, kohezinler adı verilen SMC motorlarını yakalayan ve durduran bariyerler olduğu önerildi.7 (Şekil 1b). Sonuç olarak, bir dizi deneysel kanıt – in vivo Tek moleküllerin doğrudan görselleştirilmesi için SMC’lerin ve CTCF’lerin tükenmesi – şimdi döngü ekstrüzyonunun varlığını destekliyor8.

Hücresel işlemler genellikle çok görevlidir. Öyleyse, genomu örmek için her yerde bulunan bu mekanizmanın başka işlevleri olabilir mi? Hücre bölünmesi sırasında9,10, döngülerin oluşumu, genetik materyalin yavru hücrelere doğru bir şekilde geçmesini sağlamak için kromozomları sıkıştırmanın anahtarıdır. Ancak, hücre-arası sırasında ekstrüzyonun rolü – hücrelerin DNA’larını kopyaladığı ve bir sonraki bölünmeye hazırlık için büyüdüğü dönem – henüz anlaşılmadı.

Birkaç olasılık var. Bunlardan biri gen ekspresyonunu düzenlemektir: ekstrüzyon, bir CTCF bariyeri ile ayrılmayan uzak genomik öğeleri (transkripsiyonu düzenleyen geliştiriciler ve promotörler gibi) bir araya getirebilir. Bu tür engeller, ekstrüzyonu genomik izlemeye de dönüştürebilir. Açıklamak gerekirse, bir kohezin proteini bir CTCF’de durduğunda, diğer tarafta DNA’yı sarmaya devam edebilir ve böylece uzun genomik bölgeleri izleyebilir.7,11 (Şekil 1b). Bu mekanizma, belirli hücre yapışması proteinlerinin stokastik ifadesinde yer almıştır.12 ve antikor gen segmentlerinin rastgele yeniden düzenlenmesi, çarpıcı antikor çeşitliliğiyle sonuçlanır13. Arnould et al. Bu olasılıklar listesine ekleyerek, döngü ekstrüzyonunun çift iplikli DNA kırılmalarının (DSB’ler) onarımını destekleyerek genomu koruduğunu düşündürür.

Kopmuş DNA’yı onarmak için, hücreler önce kırığı çevreleyen büyük (kabaca bir milyon baz çifti) değiştirilmiş H2AX histon bölgesi oluşturmalıdır.14. Fosfat grupları, γH2AX histonları olarak bilinen bir bölge üreten ATM denilen biri de dahil olmak üzere belirli enzimler tarafından histonlara eklenir.15. Bu histonlar, enzimleri onarmak için bir kırılmanın varlığına işaret eder.

Arnould et al. gözlemleri onayla16,17 γH2AX bölgelerinin, döngü ekstrüzyonu ile oluşturulan ve CTCF’ler tarafından belirlenen kromozomal alanlara yakından benzediği. Ayrıca değişiklikleri oluşturan ATM’nin DSB’ye bağlı kaldığını da bulmuşlardır (Şekil 1c). O halde bu ATM, bir milyon baz çifti uzakta bulunan histonlara nasıl ulaşabilir? Grup, genom katlamanın anahtar olduğuna dair kanıt sağlıyor. Histon modifikasyonlarının CTCF engellerinin ötesine sınırlı yayılmasıyla DSB’ye göre modifiye edilmiş bölgelerin asimetrisi, yayılmanın, aralarında yapılan uzamsal temaslar yerine genom boyunca izleyen ve CTCF’lerde duran ‘yönlü’ bir mekanizma tarafından sağlandığını gösterir. farklı kromozom bölgeleri veya simetrik olarak temas kuran ve CTCF engellerine uymayan bir faz ayrımı. Ekstrüzyon hali hazırda böyle bir yönlü mekanizma sağlar.

Ayrıca, γH2AX yayılmasının zamansal dinamikleri yönlü bir süreci destekler. Önceki bir çalışma18 ATM tarafından oluşturulan değişikliklerin, uzaysal temaslar veya daha rastgele yayılma sürecinden ziyade yönlü olarak yayıldığını gösterdi. Başka bir çalışma19 γH2AX’in dakikada 150.000 baz oranında yönlü olarak yayıldığını buldu. Bu hız, ölçülen döngü ekstrüzyon hızıyla tutarlıdır. laboratuvar ortamında ve bakterilerde8.

O halde, γH2AX’ın yönlü yayılması için bir olasılık, DSB’ye bağlı ATM’nin, yan DNA’yı taramak için kırığın her iki tarafında döngü ekstrüzyonlu SMC’ler kullanmasıdır. Bunu başarmak için, bir kırılma veya ATM, CTCF’ye benzer şekilde her bir SMC’yi bir tarafta durdurur ve diğer tarafta kromatini sarmasına izin verirken, daha uzak bölgeleri sabit ATM tarafından modifiye edilecek şekilde kademeli olarak çeker. Bu tür bir duraklama, bir Hi-C haritasında Arnould gibi karakteristik bir çizgi deseni oluşturmalıdır. et al. ve diğerleri20 bulundu.

Bununla birlikte, kohezinin kendisinin birincil döngü ekstrüderi olduğuna dair kanıt mütevazı kalır. Arnould ve meslektaşları, bir kohesin alt biriminin (Scc1) kaybının, Hi-C haritalarında DSB’lerin yakınında ekstrüzyon şeritlerinin kaybına yol açtığını, ancak kohezinin tüketilmesinin veya stabilize edilmesinin γH2AX profilleri üzerinde yalnızca küçük etkileri olduğunu bulmuşlardır. SMC5 / 6 veya MRX gibi diğer SMC komplekslerinin veya Scc1’den bağımsız bir kohezinin burada baskın role sahip olması mümkündür. Başka bir araştırmadan elde edilen veriler20 buna bir ipucu: ekstrüzyon şeritleri, maya hücrelerinin bölünmesinde DSB’lerin yakınında meydana gelir, ancak MRX’in tükenmesinden sonra azalır (kohezinden ziyade). Farklı motorların aracılık ettiği karmaşık bir döngü ekstrüzyon faaliyetleri ağı olabilir.

Bulguların DNA onarımının çok ötesinde sonuçları olabilir. Histon modifikasyonları, gelişim ve hücresel kimliğin anahtarıdır, ancak bunları oluşturan ve sürdüren mekanizmalar tam olarak anlaşılmamıştır. Histon modifikasyonlarının yayılmasında SMC-CTCF sistemi için bir rol önerisi, bu sürecin altında yatan bilinen mekanizmadan kökten farklıdır. Şimdiye kadar, ekstrüzyon ve modifikasyona bağlı katlama mekanizmalarının tamamen ayrı olduğu düşünülüyordu11.

Ayrıca kohezin ve diğer SMC’lerin kırılmaların onarımındaki rollerinin γH2AX yayılmasının ötesine geçmesi de mümkündür. Cohesin uzun süredir DNA onarımında rol oynadı, ancak onarım için kopyalanmış kromozomları bir arada tutan pasif bir halka olduğu düşünülüyordu. Bulgular, örneğin onarım için bir şablon görevi görebilecek bir DNA bölgesinin aranmasına olanak sağlamada daha aktif roller önermektedir.19. Dahası, SMC’lerin kırılmalara alınması ve kohezinin DSB’lerle ilgilenen diğer süreçlerdeki merkezi rolü (mayoz bölünme ve immünoglobülin gen düzenlemesi adı verilen bir bölünme türü gibi), bu motorların tespit ve yönetmede önemli olabileceğini düşündürmektedir. birçok normal hücresel işlem sırasında kırık DNA. Bu nedenle, SMC kompleksleri – genomun usta dokumacıları – sadece ilmek yapmakla değil, aynı zamanda kırık lifleri bulmak ve birbirine bağlamakla da sorumlu olabilir.

Profesör

Kimya, plastiklerin sürdürülebilir hale gelmesine yardımcı olabilir – ancak tek çözüm bu değil

Previous article

Fizikçiler, Hassas Kuantum Bilgisayarları Gürültüden Korumak İçin Bir ‘Kuvvet Alanı’ Öneriyor

Next article

You may also like

Comments

Comments are closed.

More in Gündem