מעבר לטלומראז: החיפוש אחר אלמוות כרומוזומים

מחקר עדכני מאתגר את ההבנה ארוכת השנים של בעיית השכפול הקצה ב DNAחושף שני נושאים נפרדים ולא אחד.

לפני חצי מאה, המדענים ג'ים ווטסון ואלכסיי אולובניקוב הבינו באופן עצמאי שיש בעיה עם ההעתקה של ה-DNA שלנו. מוזרות של שכפול DNA ליניארי הכתיבה שטלומרים המגינים על קצוות הכרומוזומים היו צריכים להתקצר עם כל סבב של שכפול, תופעה המכונה בעיית השכפול הקצה.

טלומראז: פתרון מופיע

אבל פתרון הגיע: ליז בלקבורן וקרול גריידר גילו את הטלומראז, אנזים שמוסיף את החזרות הטלומריות לקצוות הכרומוזומים. "התיק נסגר, כולם חשבו", אומרת טיטיה דה לנגה של רוקפלר.

כעת, מחקר חדש שפורסם ב טֶבַע מצביע על כך שיש שתי בעיות של שכפול קצה, לא אחת. יתר על כן, טלומראז הוא רק חלק מהפתרון – תאים משתמשים גם בקומפלקס CST-Polα-primase, שנחקר רבות במעבדה של דה לנגה. "במשך עשורים רבים חשבנו שאנחנו יודעים מהי בעיית השכפול הקצה וכיצד היא נפתרה על ידי טלומראז", אומר דה לנגה. "מסתבר שפספסנו חצי מהבעיה".

בעיית הרמה המובילה

מאז תיאור הסליל הכפול של ה-DNA, ידוע של-DNA יש שני גדילים משלימים הפועלים בכיוונים מנוגדים – אחד מ-5′ עד 3′; השני מ-3′ עד 5′. כאשר ה-DNA משוכפל, שני הגדילים מופרדים על ידי מנגנון השכפול, הנקרא גם רפליזום. הרפליזום מעתיק את הגדיל 3' עד 5' ללא הפרעה, תהליך המכונה סינתזת גדיל מוביל. אבל הגדיל השני מסונתז בצעדים קצרים לאחור משברים רבים (שברי אוקאזאקי) שנתפרים מאוחר יותר.

התהליך די ישיר עד לקצוות הכרומוזומים. בעת העתקת הטלומר, שכפול ה-DNA של הגדיל המוביל צריך להעתיק את החזרות של CCCTAA כדי ליצור את הגדיל החוזר של TTAGGG, בעוד שסינתזה של גדיל בפיגור צריכה לעשות את ההפך, וליצור חזרות חדשות של CCCTAA. בעיית השכפול הקצה מתעוררת מכיוון שסינתזת גדילים מובילים לא מצליחה לשחזר את החלק האחרון של הטלומר, ומשאירה טלומר קצה קהה קהה בלעדיו 3' אופייני ומכריע. טלומראז פותר בעיה זו על ידי הוספת חזרות TTAGGG חד-גדיליות לקצה הטלומרים. באשר לגדיל המשכי, לסינתזת DNA לא אמורה להיות בעיה. זה יכול להתחיל את הפרגמנט האחרון של אוקאזאקי איפשהו לאורך ה-3' מעבר.

"מנגנון שכפול ה-DNA אינו יכול לשכפל במלואו את קצהו של DNA ליניארי, בדיוק באותו אופן שבו אתה לא יכול לצבוע את הרצפה מתחת לרגליים", אומר הירו טקאי, מדען בכיר במעבדת דה לנגה והמחבר הראשי של המאמר .

CST–Polα/primase, האנזים הפותר את בעיית השכפול הקצה שהתגלתה לאחרונה. קרדיט: שרה קאי

בעיית הרצועה המפגרת

ככל שמתארים תהליכים ביולוגיים, המודל הזה נראה אטום למים. עד שטקאי גילה תגלית מפתיעה תוך כדי עבודה על תאים חסרי מכונות מולקולריות שנקראו קומפלקס CST–Polα-primase. הוא ואחרים הראו בעבר ש-CST-Polα-primase יכול לחדש חזרות של CCCTAA בטלומרים שהותקפו על ידי אנזימים מפרקי DNA הידועים בשם נוקלאזות. הנתונים החדשים האלה חשפו משהו בלתי צפוי: לא רק שהגדיל המוביל היה זקוק לעזרה – הוא מצא הוכחות לכך שגם את קצה הגדיל המפגר לא ניתן לסנתז על ידי הרפליזום.

עבודתו של טקאי העלתה כי בעיית השכפול הקצה חמורה פי שניים ממה שחשבו בעבר, והשפיעה על שני גדילי ה-DNA. "התוצאות פשוט לא התאימו למודל לשכפול הטלומרים", אומר דה לנגה. "בשלב הזה, הירו ואני הבנו שאו שהתוצאות שלו לא נכונות או שהמודל שגוי. מכיוון שהתוצאות שלו נראו לי מאוד מוצקות, היינו צריכים לחזור על המודל".

דה לנגה יצר קשר עם ג'וזף TP Yeeles, ביוכימאי שחוקר שכפול DNA במעבדה לביולוגיה מולקולרית בקיימברידג' (אותה מעבדה שבה ווטסון וקריק עבדו על מבנה הסליל הכפול של DNA). יילס הסכים שיהיה טוב לבחון מקרוב כיצד מתנהג הרפליזום בקצה תבנית DNA ליניארית. האם ה-replisome יכול להשתמש בסליה של 3' כדי ליצור את שבר האוקאזאקי האחרון, כפי שהוצע?

התוצאות של ניסויי השכפול במבחנה של יילס היו ברורות מאוד. הרפליזום אינו יוצר שברי אוקאזאקי על סלע 3'; זה למעשה מפסיק את סינתזת הגדילים המשכיים הרבה לפני שהגדיל המוביל מגיע לקצה 5'. בעיית השכפול הקצה השניה הזו פירושה ששני גדילי ה-DNA יתקצרו עם כל חלוקה. טלומראז רק מנע את זה מלהתרחש בגדיל המוביל והנתונים של Hiro העלו ש-CST-Polα-primase פתר את בעיית השכפול הקצה השני, זו של הגדיל המשכי.

טקאי בילה את ארבע השנים הבאות בתכנון מבחני חדשים כדי לאשר את הממצאים של יילס in vivo. הוא הצליח למדוד כמה דנ"א הולך לאיבוד עקב בעיית השכפול הקצה של הגדילים בפיגור, וחשף כמה חזרות של CCCAAT צריך להוסיף על ידי CST-Polα-primase כדי לשמור על הטלומרים שלמים.

השלכות וכיוונים עתידיים

התוצאות משנות את ההבנה שלנו בביולוגיה של הטלומרים – מחייבות עדכון של ספרי הלימוד. אך לממצאים עשויים להיות גם השלכות קליניות. אנשים היורשים מוטציות ב-CST-Polα-primase סובלים מהפרעות טלומרים, כגון תסמונת Coats plus, המאופיינת בהפרעת עיניים וחריגות במוח, בעצמות ובמערכת העיכול. באמצעות הבנה טובה יותר של האופן שבו אנו שומרים על הטלומרים שלנו, ניתן יהיה לעשות צעדים יום אחד בטיפול בהפרעות ההרסניות הללו.