טכניקה יכולה לקבוע בפעם הראשונה באיזו תדירות, ובדיוק היכן, מתרחש אירוע מולקולרי הנקרא "עקיבה לאחור" בכל החומר הגנטי (גנום) של כל מין, כך עולה ממחקר חדש.
פורסם באינטרנט 9 בפברואר ב תא מולקולרי, תוצאות המחקר תומכות בתיאוריה שעקיבה לאחור מייצגת צורה נרחבת של ויסות גנים, המשפיעה על אלפי גנים אנושיים, כולל רבים המעורבים בתהליכי חיים בסיסיים כמו חלוקת תאים והתפתחות ברחם.
בהובלת חוקרים מבית הספר לרפואה של NYU Grossman, העבודה סובבת סביב גנים, קטעי "אותיות" מולקולריות של DNA המסודרות בסדר מסוים (רצף) כדי לקודד את השרטוטים של רוב האורגניזמים. הן בבני אדם והן בחיידקים, השלב הראשון בביטוי של גן, שעתוק, ממשיך כאשר "מכונה" חלבונית בשם RNA פולימראז II מתקתקת בשרשרת ה-DNA, וקוראת הוראות גנטיות בכיוון אחד.
ב-1997, יבגני נודלר, דוקטור ועמיתיו פרסמו מאמר שהראה ש-RNA פולימראז יכול לפעמים להחליק לאחור לאורך השרשרת שהוא קורא, תופעה שהם כינו "עקיבה לאחור". מחקרים מאז הראו שחזרה לאחור מתרחשת מדי פעם בתאים חיים זמן קצר לאחר ש-RNA פולימראז מתחיל סינתזה של RNA או כאשר הוא נתקל ב-DNA פגום כדי לפנות מקום לאנזימי תיקון נכנסים. עבודה שלאחר מכן העלתה שמכונות ההסתערות והתיקון נאלצו לעבוד במהירות ולהתפוגג, אחרת היא עלולה להתנגש ב-DNA פולימראז כדי לגרום להפסקות הגורמות למוות של תאים בשרשראות ה-DNA.
כעת מחקר חדש בראשות הצוות של Nudler ב-NYU Langone Health מגלה שהטכניקה החדשה שלהם, Long Range Cleavage Sequencing (LORAX-seq), יכולה לזהות ישירות היכן מתחילים ומסתיימים אירועי מעקב לאחור. על ידי השלמה של גישות עבר שהיו עקיפות או מוגבלות, השיטה החדשה חושפת שאירועים רבים כאלה נעים אחורה יותר ממה שחשבו פעם, ובכך נמשכים זמן רב יותר. התוצאות גם מצביעות על כך שעקיבה לאחור מתמשכת מתרחשת לעתים קרובות לאורך הגנום, מתרחשת לעתים קרובות יותר ליד סוגי גנים מסוימים, ויש לה פונקציות הרבה מעבר לתיקון DNA.
היציבות המפתיעה של החזרה לאחור למרחקים ארוכים יותר גורמת לסבירות שהיא מייצגת צורה בכל מקום של ויסות גנטי במינים מחיידקים לבני אדם. אם עבודה נוספת תרחיב את הממצאים שלנו לתכניות התפתחותיות ולמצבים פתולוגיים שונים, החזרה לאחור עשויה להיות דומה לאפיגנטיקה, שגילויה חשף שכבה חדשה ומפתיעה של ויסות גנים מבלי לשנות את קוד ה-DNA".
יבגני נודלר, דוקטורט, מחברת הבכירה של המחקר, ופרופסור ג'ולי ווילסון אנדרסון במחלקה לביוכימיה ופרמקולוגיה מולקולרית ב-NYU Langone
מרכזי בחיים?
RNA פולימראז II מתרגם את קוד ה-DNA לחומר קשור בשם RNA, אשר מכוון את בניית החלבונים. לשם כך, הקומפלקס נע במורד שרשראות DNA בכיוון אחד, אך חוזר לאחור בתרחישים מסוימים. מחקרים קודמים הראו שכאשר RNA פולימראז II חוזר לאחור, הוא דוחף החוצה (שולט) מהערוץ הפנימי שלו את קצה שרשרת ה-RNA שהוא בנה בהתבסס על קוד ה-DNA. מכיוון שעקיבה לאחור ממושכת נוטה לגרום להתנגשויות מזיקות, משערים שהשעתוק משוחזר במהירות על ידי גורם השעתוק IIS (TFIIS), אשר מקדם את הניתוק (המחשוף) של ה-RNA שחולץ, ה"נמשך לאחור". זה מפנה את הדרך ל-RNA פולימראז II לחדש את קריאת הקוד קדימה.
עם זאת, מחקרים אחרים, קודמים יותר, הראו שכאשר פולימראז חוזר מעבר למרחק מסוים (למשל 20 אבני בניין DNA של נוקלאובאז), ה-RNA הנגוע לאחור יכול להיצמד לערוץ שדרכו הוא מוחלף, ולהחזיק אותו במקומו זמן רב יותר. קומפלקסים נעולים ונסוגים לאחור נוטים פחות להינצל על ידי מחשוף מונע על ידי TFIIS, וסביר יותר לעכב שעתוק של הגן המעורב. זה הוביל לתיאוריה שעקיבה לאחור, בנוסף למשחק תפקיד מפתח בנתיבי תיקון DNA, עשויה להגביר או להוריד את פעולת הגנים כמנגנון רגולטורי מרכזי.
על פי החוקרים, TFIIS מתרחש ככל הנראה בריכוזים נמוכים בתאים חיים, ומתחרה עם מאות חלבונים אחרים כדי להגיע ולחתוך RNA מועבר לאחור כדי שהתעתוק יוכל להמשיך. במחקר הנוכחי, הצוות במקום זאת השתמש בריכוז גבוה של TFIIS מטוהר (ללא חלבונים מתחרים) כדי לחתוך במדויק כל פיסת RNA נסוגה בכל מקום שהוא מתרחש בקוד הגנטי של התא. זה הפך את קטעי הגזירה לזמינים לטכנולוגיות שקוראות רצפי קוד ומספקות רמזים למיקומן ולפונקציות שלהן.
צוות המחקר מצא גם כי הגנים השולטים בהיסטונים – "סלילי" חלבונים ששרשרות DNA עוטפות סביבם בתוך הכרומטין המארגן את ביטוי הגנים – נוטים מאוד לעקיבה מתמשכת. המחברים משערים כי המידה שבה זה קורה, עם שינויים קשורים בתעתיק של גנים מסוימים, עשויה לשלוט בתזמון של הצטברות היסטונים בקנה מידה גדול הנחוץ במהלך חלוקת התא כדי לבנות מחדש את הכרומטין. הם גם מציעים שעקיבה מתמשכת לאחור עשויה להשפיע על שעתוק בזמן של גנים החיוניים להתפתחות הרקמה.
"יחד עם הפונקציות העלולות להיות שימושיות שלו, מעקב לאחור מתמשך עלול לגרום גם לנזק ל-DNA ולתקלות גנטיות אחרות התורמות למחלות", אומר מחבר המחקר הראשון קווין יאנג, סטודנט לתואר שני במעבדתו של ד"ר נודלר. "אנו משערים כי מדידת החזרה לאחור בהקשר של הזדקנות או סרטן, למשל, עשויה לעזור לנו להבין מדוע מתרחשות תקלות בתגובת הלחץ של התא ובשכפול התא, ולהציע גישות טיפול חדשות."
יחד עם יאנג ונודלר, מחברי המחקר מהמחלקה לביוכימיה ופרמקולוגיה מולקולרית ב-NYU Langone Health היו אבירם ראסולי, ויטלי אפשטיין, קריסיידה מרטינז, טאו נגוין ואיליה שמובסקי. נודלר הוא גם חוקר במכון הרפואי הווארד יוז. המחקר ממומן על ידי קרן משפחת בלווטניק, המכון הרפואי הווארד יוז ומענקים של המכון הלאומי לבריאות R01GM126891 ו-T32 AI007180.
