Dešifriranje kode mehanizma za zlaganje DNK
Ko se celica deli, mora podvojiti in urediti svojo DNK, kar je zaradi dolžine in zapletenosti genskega materiala zahtevna naloga. DNK si lahko predstavljamo kot dolgo nit, ki jo je treba tesno in natančno zapakirati v majhen prostor, ne da bi se zapletla.
Zlaganje in urejanje DNK
Pri projektu CHROCODYLE(opens in new window), ki je potekal ob podpori Evropskega raziskovalnega sveta(opens in new window), so želeli natančno razumeti, kako poteka to pakiranje. V ta namen so se koordinator projekta Stephan Gruber in njegova ekipa na Univerzi v Lozani(opens in new window) v Švici osredotočili na komplekse za vzdrževanje strukture kromosomov (SMC), beljakovinske stroje, ki aktivno zlagajo in organizirajo DNK. Ti kompleksi so bistveni za ohranjanje genetskega materiala, kar je bistvenega pomena za preživetje in delovanje celic. Ključni dejavnik pri tem je kondenzin, eden od kompleksov SMC, ki DNK oblikujejo v zanke. Te zanke so ključnega pomena za popravilo DNK in pravilno porazdelitev kromosomov med delitvijo celic. Vendar pa natančen mehanizem premikanja kompleksov SMC vzdolž DNK in tvorjenja zank ostaja nejasen. To so poskušali ugotoviti pri projektu CHROCODYLE.
Visoko zmogljiv genski inženiring
Da bi se spoprijeli s tem izzivom, je ekipa uporabila preprostejši modelni organizem: bakterijo Bacillus subtilis, ki vsebuje različico kondenzinskega kompleksa, ki jo je lažje preučevati kot človeško različico. To je raziskovalcem omogočilo izvedbo visoko zmogljivega genskega inženiringa, s katerim so ustvarili več kot 1 000 mutantnih bakterijskih sevov s specifičnimi spremembami v beljakovinah SMC. Te mutante so nato uporabili pri tehniki, imenovani kemično navzkrižno povezovanje, s katero so zelo natančno določili molekulsko strukturo kompleksa SMC. "Lahko smo ustvarili zelo podrobno podobo bakterijskega stroja SMC in razporeditve njegovih različnih delov," pravi Gruber. Hkrati so preučevali interakcijo kompleksov SMC z DNK in vitro in v živih bakterijskih celicah. Uporabili so napredna orodja, kot so kristalografija, mikroskopija, ChIP-Seq in Hi-C, da bi ugotovili, kje in kako se SMC veže in deluje na kromosome. Ta kombinacija strukturnih in funkcionalnih študij jim je omogočila popoln vpogled v delovanje sistema SMC. Eden najpomembnejših rezultatov te raziskave je bil razvoj novega modela za izrivanje zanke DNK, oz. so ugotovili, kako se kompleksi SMC premikajo vzdolž DNK. "Motor SMC se premika z velikimi koraki ter zlahka zaobide majhne in velike ovire na DNK," pojasnjuje Gruber. "To je nekaj povsem drugačnega od tistega, kar je bilo doslej predlagano za druge motorje DNK."
Od bakterij do pomembnih odkritij
Vpliv projekta CHROCODYLE presega okvire bakterijske biologije. Pri ljudeh so nepravilno delujoči proteini SMC povezani s prirojenimi motnjami, pogosto so pa tudi mutirani pri raku. Znanje, pridobljeno s tem projektom, bi nam lahko pomagalo razumeti specifične okvare na molekularni ravni, ki povzročajo te bolezni, kar bi lahko privedlo do zamisli za nove terapije v prihodnosti. "Naše delo lahko sčasoma pomaga razkriti molekularne okvare, ki povzročajo te bolezni, in omogoči vpogled v možne terapije," dodaja Gruber. Poleg tega bi lahko razumevanje mehanizma delovanja SMC pri bakterijah prispevalo k razvoju novih zdravil proti bakterijskim okužbam. Ta spoznanja bi lahko pomagala pri reševanju težav zaradi odpornosti proti antibiotikom, ki je danes eden od najbolj perečih globalnih zdravstvenih izzivov. Projekt je postavil tudi temelje za prihodnja odkritja. Z novimi tehnikami, kot je krioelektronska mikroskopija, raziskovalci zdaj določajo strukture SMC-DNA s skoraj atomsko ločljivostjo ter potrjujejo in nadgrajujejo ugotovitve iz projekta CHROCODYLE. Ta napredek je pomemben korak pri preučevanju bistvenih molekularnih mehanizmov življenja.
