به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، DNA ژیراز یا به عبارت ساده‌تر ژیراز، آنزیمی است از دسته توپوایزومرازها که مربوط به زیردسته دوم آن‌ها است که در فرایندهای داخل سلولی مانند همانندسازی رشته DNA یا رونویسی از DNA نقش دارد. این آنزیم در یک فرایند وابسته به انرژی آدنوزین تری‌فسفات (ATP) هنگامی‌که RNA پلی‌مراز یا DNA هلیکاز در حال بازکردن DNA دو رشته‌ای در ناحیه‌های مخصوص برای شروع همانندسازی به نام مکان آغازش همتاسازی هستند، در پشت آن‌ها روی DNA قرار می‌گیرد و باعث کاهش پیچ و تاب خوردگی‌های قسمت‌هایی از رشته DNA که همانندسازی از روی آن‌ها به پایان رسیده‌ است می‌شود. این آنزیم در واقع وظیفه دارد تا با فشرده‌سازی و پیچ‌وتاب دادن به رشته بلند DNA ، آن را در فضای کوچک هسته جا کند که این کار را با ایجاد کردن فشرده‌سازی‌های منفی یا به عبارت دیگر با آزادسازی فشرده‌شدگی‌های مثبت انجام می‌دهد. حال در مطالعه‌ای که در مجله Science منتشر شد، محققان کالج پزشکی بیلور، دانشگاه استراسبورگ، دانشگاه پاریس سیته و موسسات همکار نشان دادند که چگونه DNA ژیراز درهم‌تنیدگی‌های DNA را حل می‌کند. این یافته‌ها نه تنها بینش جدیدی در مورد این مکانیسم بیولوژیکی بنیادی ارائه می‌دهند، بلکه کاربردهای عملی بالقوه‌ای نیز دارند.

پیش زمینه

 در ذهن خود یک تلفن سنتی خط ثابت با سیم پیچی که گوشی را به تلفن متصل می‌کند، تصور کنید. سیم پیچ خورده تلفن و مارپیچ دوگانه DNA که مواد ژنتیکی را در هر سلول بدن ذخیره می‌کند، یک ویژگی مشترک دارند. آن‌ها هر دو سوپرکویل، یا سیم پیچ در اطراف خود هستند، و به گونه‌ای در هم می‌پیچند که خنثی کردن آن دشوار است. در مورد DNA، اگر با این پیچیدگی مقابله نشود، فرآیندهای ضروری مانند کپی کردن DNA و تقسیم سلولی متوقف می‌شوند. خوشبختانه، سلول‌ها راه حلی مبتکرانه برای تنظیم دقیق ابریچ‌های DNA دارند. ژیرازها اهداف زیست پزشکی برای درمان عفونت‌های باکتریایی هستند و نسخه‌های انسانی مشابه آنزیم‌ها هدف بسیاری از داروهای ضد سرطان هستند. درک بهتر نحوه عملکرد ژیرازها در سطح مولکولی می‌تواند به طور بالقوه درمان‌های بالینی را بهبود بخشد. برخی ابرپیچ‌های DNA برای دسترسی به DNA ضروری است تا سلول بتواند اطلاعات ژنتیکی را بخواند و کپی کند، اما ابرپیچ خیلی کم یا زیاد مضر است. به عنوان مثال، عمل کپی و خواندن DNA، آن را جلوتر از آنزیم‌هایی که کد ژنتیکی را می‌خوانند و کپی می‌کنند، می‌پیچد و این فرآیند را مختل می‌کند. مدت‌هاست که شناخته شده بود که DNA ژیراز نقشی در بازکردن پیچیدگی دارد، اما جزئیات آن مشخص نبود.

حلقه‌های کوچک DNA و تکنیک‌های تصویربرداری پیشرفته اولین گام را برای باز کردن گره‌های DNA نشان می‌دهند

دکتر لین زکیدریش، نویسنده این مطالعه، رئیس مرکز  کایل و ژوزفین مورو در مرکز ویروس شناسی مولکولی و میکروبیولوژی و استاد گروه بیوشیمی و فارماکولوژی مولکولی ورنا و مارس مکلین در کالج پزشکی بیلور، گفت:" ما معمولاً DNA را به عنوان ساختار مارپیچ دوگانه مستقیم تصور می‌کنیم، اما در داخل سلول‌ها، DNA در حلقه‌های فوق پیچیده وجود دارد. درک برهم‌کنش‌های مولکولی بین ابرکویل‌ها و آنزیم‌هایی که در عملکردهای DNA شرکت می‌کنند از نظر فنی چالش‌برانگیز بوده است، بنابراین ما معمولاً از مولکول‌های DNA خطی به جای  DNA مارپیچ برای مطالعه برهمکنش‌ها در سلول استفاده می‌کنیم. یکی از اهداف آزمایشگاه ما مطالعه این فعل و انفعالات با استفاده از یک ساختار DNA بوده است که با دقت بیشتری از شکل DNA ابرپیچ‌دار و حلقه‌دار موجود در سلول‌های زنده تقلید می‌کند." پس از سال‌ها کار، آزمایشگاه زکیدریش حلقه‌های کوچکی از DNA ابرپیچ ایجاد کرده است. در اصل، آن‌ها مارپیچ دوگانه DNA خطی مستقیم را گرفتند و آن را یک، دو بار، سه بار یا بیشتر در هر جهت پیچاندند و انتهای آن را به یکدیگر متصل کردند تا یک حلقه تشکیل دهند. مطالعه قبلی آن‌ها که ساختارهای سه‌بعدی حلقه‌های کوچک ابرپیچ به‌دست‌آمده را بررسی می‌کرد، نشان داد که این حلقه‌ها شکل‌های مختلفی را تشکیل می‌دهند که آنزیم‌هایی مانند ژیراز را تشخیص می‌دهند.

نتایج مطالعه

در مطالعه حاضر، فرضیه آن‌ها صحیح است. تیم محققان تخصص خود را برای مطالعه برهمکنش‌های DNA ژیراز با مینی دایره‌های DNA با استفاده از پیشرفت‌های فناوری اخیر در کرایومیکروسکوپ الکترونی، یک تکنیک تصویربرداری که نماهای سه بعدی با وضوح بالا از مولکول‌های بزرگ تولید می‌کند، و سایر فناوری‌ها ترکیب کردند. دکتر والری لامور، دانشیار انستیتو ژنتیک، نویسنده همکار، گفت: " آزمایشگاه من مدت‌هاست که به درک چگونگی عملکرد نانوماشین‌های مولکولی در سلول علاقه مند بوده است. ما در حال مطالعه روی ژیراز‌های DNA، آنزیم‌های بسیار بزرگی هستیم که ابرپیچ‌ DNA را تنظیم می‌کنند. در میان عملکردهای دیگر، ابرپیچ‌ روش سلول برای محدود کردن حدود 2 متر (6.6 فوت) DNA خطی در هسته میکروسکوپی سلول است. هنگامی‌که DNA ابرپیچ در درون هسته می‌چرخد، به اشکال مختلف می‌پیچد و تا می‌شود. تصور کنید سیم تلفن ذکر شده در ابتدا چندین بار روی خودش بچرخد. با عبور از زنجیره‌های DNA و سفت شدن ساختار، می‌پیچد و یک حلقه تشکیل می‌دهد."  دکتر جاناتان فوگ، یکی از نویسندگان این مقاله، دانشمند ارشد ویروس شناسی مولکولی و میکروبیولوژی و بیوشیمی و فارماکولوژی مولکولی در آزمایشگاه زچیدریش می‌گوید: " همانطور که فرض کردیم متوجه شدیم که ژیراز‌ به دایره کوچک ابرپیچیده جذب می‌شود و خود را در داخل این حلقه ابرپیچ قرار می‌دهد. " در ادامه لامور گفت:" این اولین گام از مکانیسمی است که آنزیم را برای حل درهم‌تنیدگی‌های DNA تحریک می‌کند. DNA ژیراز که اکنون توسط یک حلقه ابرپیچ محکم احاطه شده است، یک مارپیچ DNA را در حلقه برش می‌دهد، و مارپیچ DNA دیگر را از برش در حلقه دیگر عبور می‌دهد، و شکاف را دوباره می‌بندد، که پیچیدگی را آرام می‌کند و گره‌ها را کاهش می‌دهد، و ابرپیچ DNA را برای کنترل فعالیت DNA تنظیم می‌کند. تصور کنید که در حال تماشای رودئو ( نمایش سوارکاری) هستید. مانند طناب زدن گاو با شلاق، DNA حلقه ابرپیچ در مرحله اول ژیراز را می‌گیرد، ژیراز سپس یک مارپیچ دوگانه از کمند DNA را برش می‌دهد و مارپیچ دیگر را از شکاف عبور می‌دهد تا آزاد شود." نویسنده همکار، دکتر مارک نادال، استاد دانشگاه اکول نرمال در پاریس، مشاهده مسیر DNA پیچیده شده در حلقه دور گیراز را با استفاده از موچین مغناطیسی، یک تکنیک بیوفیزیکی که امکان اندازه‌گیری تغییر شکل و نوسانات طول را فراهم می‌کند، تایید کرد. از یک مولکول DNA مشاهده یک مولکول منفرد اطلاعاتی را فراهم می‌کند که اغلب هنگام نگاه کردن به هزاران مولکول در آزمایش‌های سنتی به اصطلاح گروهی در یک لوله آزمایش، پنهان می‌ماند. جالب توجه است که مدل وارونگی رشته DNA برای فعالیت ژیراز در سال 1979 توسط دکتر پاتریک او. براون و نیکلاس آر کوزارلی فقید، همچنین در یک مقاله علمی، بسیار قبل از اینکه محققان به مینی دایره‌های ابرپیچ یا ساختار مولکولی سه بعدی آنزیم دسترسی داشته باشند ، پیشنهاد شد.

نتیجه گیری

زکیدریش گفت: " این یافته به‌ویژه برای من بسیار مهم است که 45 سال بعد، ما در نهایت شواهد تجربی ارائه می‌کنیم که از فرضیه آن‌ها حمایت می‌کند، زیرا نیک مربی پست دکتری من بود." لامور گفت: " این کار چشم اندازهای بی‌شماری را برای مطالعه مکانیسم این دسته از آنزیم‌های حفاظت‌شده، که ارزش بالینی زیادی دارند، باز می‌کند." همچنین فوگ در آخر افزود که: " این کار از ایده‌های جدید در مورد چگونگی تنظیم فعالیت‌های DNA پشتیبانی می‌کند. ما پیشنهاد می‌کنیم که DNA یک بیومولکول منفعل نیست که توسط آنزیم‌ها عمل می‌کند ، بلکه یک بیومولکول فعال است که از شکل‌های فوق العاده ، حلقه‌ای و سه بعدی برای دسترسی مستقیم آنزیم‌ها مانند ژیراز به توالی‌های خاص DNA در موقعیت های مختلف استفاده می‌کند ، که احتمالا بر پاسخ‌های سلولی به آنتی بیوتیک‌ها یا سایر درمان‌ها تأثیر می‌گذارد."

پایان مطلب./