لأول مرة ، يصف الباحثون كيف يوقف بروتين Rho التعبير الجيني.
حدد بحث جديد ووصف العملية الخلوية التي ، على الرغم مما تقوله الكتب المدرسية ، ظلت بعيدة المنال للعلماء حتى الآن – على وجه التحديد كيف يتم إيقاف نسخ المواد الجينية التي بمجرد أن بدأت بشكل صحيح.
تتعلق النتيجة بعملية أساسية أساسية للحياة: مرحلة نسخ التعبير الجيني ، والتي تمكن الخلايا من العيش والقيام بوظائفها.
أثناء النسخ ، يسمى إنزيم RNA يلتف البوليميراز حول الحلزون المزدوج لـ الحمض النووي، باستخدام خيط واحد لمطابقة النيوكليوتيدات لعمل نسخة من المادة الجينية – مما ينتج عنه خيط مركب حديثًا من RNA ينفصل عند اكتمال النسخ. يمكّن هذا الحمض النووي الريبي من إنتاج البروتينات الضرورية للحياة كلها وتؤدي معظم العمل داخل الخلايا.
تمامًا كما هو الحال مع أي رسالة متماسكة ، يحتاج الحمض النووي الريبي أن يبدأ ويتوقف في المكان المناسب ليكون منطقيًا. تم اكتشاف بروتين بكتيري يسمى Rho منذ أكثر من 50 عامًا بسبب قدرته على إيقاف أو إنهاء النسخ. في كل كتاب مدرسي ، يتم استخدام Rho كمنهي نموذجي ، باستخدام قوته الحركية القوية جدًا ، يرتبط بـ RNA ويسحبه من بوليميريز RNA. لكن نظرة فاحصة من قبل هؤلاء العلماء أظهرت أن Rho لن يكون قادرًا على العثور على الحمض النووي الريبي الذي يحتاج إلى إطلاقه باستخدام آلية الكتاب المدرسي.
قالت إيرينا أرتسيموفيتش ، المؤلفة الرئيسية المشاركة للدراسة وأستاذة علم الأحياء الدقيقة بجامعة ولاية أوهايو: “لقد بدأنا دراسة رو ، وأدركنا أنه لا يمكن أن يعمل بالطرق التي يخبرنا بها الناس أنها تعمل”.
البحث الذي نشرته المجلة على الإنترنت علم اليوم ، 26 نوفمبر 2020 ، قرر أنه بدلاً من الارتباط بقطعة معينة من الحمض النووي الريبي بالقرب من نهاية النسخ ومساعدته على التخلص من الحمض النووي ، فإن Rho في الواقع “يوقف” على RNA polymerase طوال مدة النسخ. يتعاون Rho مع البروتينات الأخرى لإقناع الإنزيم في النهاية من خلال سلسلة من التغييرات الهيكلية التي تنتهي بحالة غير نشطة تتيح إطلاق RNA.
استخدم الفريق مجاهر متطورة للكشف عن كيفية عمل Rho على مركب نسخ كامل يتكون من RNA polymerase واثنين من البروتينات الإضافية التي تنتقل معها طوال عملية النسخ.
قال أرتسيموفيتش: “هذا هو الهيكل الأول لعقدة الإنهاء في أي نظام ، وكان من المفترض أن يكون من المستحيل الحصول عليه لأنه يتفكك بسرعة كبيرة”.
“إنها تجيب على سؤال أساسي – النسخ أساسي للحياة ، ولكن إذا لم يتم التحكم فيه ، فلن ينجح شيء. يجب أن يكون بوليميراز الحمض النووي الريبي في حد ذاته محايدًا تمامًا. يجب أن تكون قادرة على صنع أي RNA ، بما في ذلك تلك التالفة أو التي يمكن أن تضر الخلية. أثناء السفر مع RNA polymerase ، يمكن لـ Rho معرفة ما إذا كان RNA المركب يستحق الصنع أم لا ، وإذا لم يكن الأمر كذلك ، فإن Rho يطلقه “.
قام آرتسيموفيتش بالعديد من الاكتشافات المهمة حول كيفية إتمام بوليميراز الحمض النووي الريبي النسخ بنجاح. لم تكن عازمة على مواجهة سنوات من فهم دور رو في الإنهاء حتى حددت طالبة جامعية في مختبرها طفرات مفاجئة في Rho أثناء عملها في مشروع علم الوراثة.
من المعروف أن Rho يعمل على إسكات التعبير عن جينات الفوعة في البكتيريا ، مما يؤدي إلى إبقائها في حالة سبات حتى تكون هناك حاجة إليها لإحداث العدوى. لكن هذه الجينات لا تحتوي على أي تسلسلات من الحمض النووي الريبي المعروف أن Rho يرتبط بها بشكل تفضيلي. وبسبب ذلك ، قال أرتسيموفيتش ، لم يكن من المنطقي أبدًا أن يبحث Rho فقط عن تسلسلات معينة من RNA ، دون معرفة ما إذا كانت لا تزال مرتبطة ببوليميراز RNA.
في الواقع ، تم إنشاء الفهم العلمي لآلية Rho باستخدام التجارب البيوكيميائية المبسطة التي غالبًا ما تركت RNA polymerase – في جوهرها ، تحديد كيف تنتهي العملية دون أخذ العوامل في العملية نفسها.
في هذا العمل ، استخدم الباحثون المجهر الإلكتروني المبرد لالتقاط صور لبوليميراز الحمض النووي الريبي الذي يعمل على قالب الحمض النووي في الإشريكية القولونية ، نظامهم النموذجي. هذا التصور عالي الدقة ، جنبًا إلى جنب مع الحسابات المتطورة ، جعل النمذجة الدقيقة لإنهاء النسخ ممكنًا.
“إن بوليميراز الحمض النووي الريبي يتحرك على طول ، ليطابق مئات الآلاف من النيوكليوتيدات في البكتيريا. وقال أرتسيموفيتش إن المجمع مستقر للغاية لأنه يجب أن يكون – إذا تم إطلاق الحمض النووي الريبي ، فإنه يضيع. “ومع ذلك ، فإن Rho قادر على جعل المركب ينهار في غضون دقائق ، إن لم يكن ثوان. يمكنك إلقاء نظرة عليها ، لكن لا يمكنك الحصول على مجمع ثابت لتحليله “.
باستخدام طريقة ذكية لاحتجاز المجمعات قبل أن تتفكك مباشرة ، تمكن العلماء من تصور سبعة مجمعات تمثل خطوات متسلسلة في مسار الإنهاء ، بدءًا من تفاعل Rho مع RNA polymerase وانتهاءً ببوليميراز RNA غير نشط تمامًا. ابتكر الفريق نماذج بناءً على ما رأوه ، ثم تأكدوا من صحة هذه النماذج باستخدام الأساليب الجينية والكيميائية الحيوية.
على الرغم من أن الدراسة أجريت على البكتيريا ، إلا أن أرتسيموفيتش قال إن عملية الإنهاء هذه من المحتمل أن تحدث في أشكال أخرى من الحياة.
قالت: “يبدو أنه شائع”. “بشكل عام ، تستخدم الخلايا آليات عمل مماثلة من سلف مشترك. لقد تعلموا جميعًا نفس الحيل طالما كانت هذه الحيل مفيدة “.
المرجع: 26 نوفمبر 2020 ، علم.
شارك آرتسيموفيتش ، الذي يعمل مع فريق بحث دولي من المتعاونين ، في قيادة الدراسة مع ماركوس وال ، وهو طالب دراسات عليا سابق في ولاية أوهايو يعمل حاليًا في جامعة Freie Universität Berlin.
تم دعم هذا العمل من خلال منح من مؤسسة الأبحاث الألمانية ؛ وزارة التعليم والبحث الفيدرالية الألمانية ؛ المجلس الهندي للبحوث الطبية؛ قسم التكنولوجيا الحيوية ، حكومة الهند ؛ المعاهد الوطنية للصحة ؛ ومؤسسة Sigrid Jusélius.
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”