דמיינו בראשכם טלפון "קווי" מסורתי עם חוט מפותל המחבר את השפופרת לטלפון. לחוט הטלפון המפותל ולסליל הכפול של ה-DNA שאוגר את החומר הגנטי בכל תא בגוף יש דבר אחד במשותף; שניהם מפותלים, או מתפתלים סביב עצמם, ומסתבכים בדרכים שיכולות להיות קשות לביטול. במקרה של DNA, אם לא מתמודדים עם התפתלות זו, תהליכים חיוניים כמו העתקת DNA וחלוקת תאים נעצרים. למרבה המזל, לתאים יש פתרון גאוני לווסת בקפידה את סלילת העל של ה-DNA.
במחקר זה שפורסם בכתב העת מַדָע, חוקרים במכללת Baylor of Medicine, Université de Strasbourg, Université Paris Cité ומוסדות משתפים פעולה חושפים כיצד DNA gyrase פותר הסתבכויות DNA. הממצאים לא רק מספקים תובנות חדשות לגבי המנגנון הביולוגי הבסיסי הזה, אלא יש להם גם יישומים מעשיים פוטנציאליים. Gyrases הם מטרות ביו-רפואיות לטיפול בזיהומים חיידקיים והגרסאות האנושיות הדומות של האנזימים הן מטרות לתרופות רבות נגד סרטן. הבנה טובה יותר של אופן פעולת הגיראסים ברמה המולקולרית יכולה לשפר טיפולים קליניים.
חלק מהסלילת-על של DNA חיונית כדי להפוך את ה-DNA לנגיש כדי לאפשר לתא לקרוא וליצור עותקים של המידע הגנטי, אך מעט מדי או יותר מדי סלילת-על מזיק. לדוגמה, פעולת ההעתקה והקריאה של ה-DNA מעיפה אותו לפני האנזימים שקוראים ומעתיקים את הקוד הגנטי, ומפריעים לתהליך. זה ידוע מזמן ש-DNA gyrase ממלא תפקיד בפיתרון ההתפתלות, אבל הפרטים לא היו ברורים.
מיני עיגולי DNA וטכניקות הדמיה מתקדמות חושפים את הצעד הראשון לפיתרון ה-DNA
בדרך כלל אנו מדמיינים את ה-DNA כמבנה הסליל הכפול הישר, אבל בתוך תאים, DNA קיים בלולאות מפותלות. הבנת האינטראקציות המולקולריות בין סלילי העל והאנזימים המשתתפים בתפקודי ה-DNA הייתה מאתגרת מבחינה טכנית, לכן אנו משתמשים בדרך כלל במולקולות DNA ליניאריות במקום ב-DNA מפותל כדי לחקור את האינטראקציות. אחת המטרות של המעבדה שלנו הייתה לחקור את האינטראקציות הללו באמצעות מבנה DNA שמחקה ביתר שאת את צורת ה-DNA המפותלת והלולאת בפועל הקיימת בתאים חיים."
ד"ר לין זכידריץ', מחברת המחקר, יו"ר קייל וג'וזפין מורו בווירולוגיה מולקולרית ומיקרוביולוגיה ופרופסור במחלקה לביוכימיה ופרמקולוגיה מולקולרית של ורנה ומארס מקלין במכללת ביילור לרפואה
לאחר שנים של עבודה, מעבדת Zechiedrich יצרה לולאות קטנות של DNA מפותל. למעשה, הם לקחו את הסליל הכפול של ה-DNA ליניארי הישר המוכר וסובב אותו לכל כיוון פעם, פעמיים, שלוש פעמים או יותר וחברו את הקצוות יחד ליצירת לולאה. המחקר הקודם שלהם שבחן את המבנים התלת-ממדיים של המיני עיגולים המפותלים העלה שלולאות אלו יוצרות מגוון צורות שאותן שיערו שאנזימים כגון גיראזה יזהו.
במחקר הנוכחי, ההשערה שלהם הוכחה נכונה. צוות החוקרים שילב את המומחיות שלהם כדי לחקור את האינטראקציות של DNA gyrase עם מיני עיגולים של DNA תוך שימוש בהתקדמות טכנולוגית עדכנית בקריומיקרוסקופיה אלקטרונית, טכניקת הדמיה שמייצרת תצוגות תלת מימד ברזולוציה גבוהה של מולקולות גדולות וטכנולוגיות אחרות.
"המעבדה שלי מתעניינת מזה זמן רב בהבנת האופן שבו פועלות מכונות ננו מולקולריות בתא. חקרנו את ה-DNA gyrases, אנזימים גדולים מאוד המווסתים את סלילת ה-DNA", אמרה הסופרת המשותפת, ד"ר ולרי לאמור, פרופסור חבר במכון גנטיק. et de Biologie Moléculaire et Cellulaire, Université de Strasbourg. "בין שאר הפונקציות, סלילת-על היא הדרך של התא להגביל כ-2 מטרים (6.6 רגל) של DNA ליניארי לתוך הגרעין המיקרוסקופי של התא."
כאשר ה-DNA מתפתל בתוך הגרעין, הוא מתפתל ומתקפל בצורות שונות. תאר לעצמך לסובב את כבל הטלפון שהוזכר בהתחלה, כמה פעמים על עצמו. הוא יתפתל ויוצר לולאה על ידי חציית שרשראות DNA, הידוק המבנה.
"מצאנו, בדיוק כפי ששיערנו, שגיראז נמשך למיני עיגול העל וממקם את עצמו בחלק הפנימי של הלולאה המפותלת הזו", אמר מחבר שותף, ד"ר ג'ונתן פוג, מדען צוות בכיר של וירולוגיה מולקולרית ומיקרוביולוגיה, ו ביוכימיה ופרמקולוגיה מולקולרית במעבדת זכידריך.
"זהו הצעד הראשון של המנגנון שמניע את האנזים לפתור הסתבכויות DNA", אמר לאמור.
"DNA gyrase, מוקף כעת בלולאה מפותלת בחוזקה, יחתוך סליל DNA אחד בלולאה, יעביר את סליל ה-DNA השני דרך החתך בשנייה, ואטום מחדש את השבירה, מה שמרפה את ההתפתלות ומקלה על הסבך, ומווסת את סלילת ה-DNA. לשלוט בפעילות ה-DNA", אמר זכידריך. "דמיין שאתה צופה ברודיאו. כמו חבל על בקר עם לאסו, דנ"א בעל לולאות-על לוכד את ה-gyrase בשלב הראשון. Gyrase חותך אז סליל כפול אחד של לאסו ה-DNA ומעביר את הסליל השני דרך ההפסקה כדי להשתחרר."
מחבר שותף, ד"ר מארק נדאל, פרופסור באקול נורמל בפריז אישר את התצפית על נתיב ה-DNA העטוף בלולאה מסביב לג'יראז באמצעות פינצטה מגנטית, טכניקה ביו-פיזיקלית המאפשרת למדוד את העיוות והתנודות באורך של מולקולה אחת של DNA. התבוננות במולקולה בודדת מספקת מידע שלעתים קרובות מסתיר כאשר מסתכלים על אלפי מולקולות בניסויים מסורתיים המכונים "אנסמבל" במבחנה.
מעניין לציין ש"מודל היפוך גדילי DNA" לפעילות ג'יראז הוצע בשנת 1979 על ידי Dr. פטריק או. בראון וניקולס ר. קוזרלי המנוח, גם הם ב-a מַדָע נייר, הרבה לפני שהייתה לחוקרים גישה למיני עיגולים מפותלים או למבנה המולקולרי התלת-ממדי של האנזים. "זה משמעותי במיוחד עבורי ש-45 שנים מאוחר יותר, סוף סוף אנחנו מספקים ראיות ניסיוניות התומכות בהשערה שלהם מכיוון שניק היה המנטור הפוסט-דוקטורט שלי", אמר זכידריך.
"עבודה זו פותחת אינספור נקודות מבט לחקור את המנגנון של מחלקה משומרת זו של אנזימים, שהם בעלי ערך קליני רב", אמר לאמור.
"עבודה זו תומכת ברעיונות חדשים לגבי אופן ויסות פעילויות ה-DNA. אנו מציעים ש-DNA אינו ביומולקולה פסיבית המופעלת על ידי אנזימים, אלא מולקולה פעילה המשתמשת בצורות על-סליל, לולאות ותלת-ממד כדי לכוון את הנגישות של אנזימים כמו גירז ל רצפי DNA ספציפיים במגוון מצבים, אשר ככל הנראה ישפיעו על התגובות התאיות לאנטיביוטיקה או לטיפולים אחרים", אמר פוג.
תורמים לעבודה זו כוללים גם את Marlène Vayssières (הסופרת הראשית), Nils Marechal, Long Yun, Brian Lopez Duran ו-Naveen Kumar Murugasamy. המחברים קשורים לאחד או יותר מהמוסדות הבאים: Baylor College of Medicine, Université de Strasbourg, Institut de Génétique et de Biologie Moléculaire et Cellulaire, INSERM, Université Paris ו-Hôpitaux Universitaires de Strasbourg.
