Clevere DNA-Tricks – Ars Technica

Jeder Mensch beginnt als einzelne befruchtete Eizelle. Bis zum Erwachsenenalter sind aus dieser einzelnen Zelle etwa 37 Billionen Zellen geworden, von denen sich viele weiterhin teilen, um alle paar Monate die gleiche Menge neuer menschlicher Zellen zu produzieren.

Doch diese Zellen stehen vor einer enormen Herausforderung. 3.2 Der geteilte Zelldurchschnitt sollte kopiert werden eine Milliarde Basenpaare der DNA, etwa alle 24 Stunden. Die Replikationsmaschinerie der Zelle leistet erstaunliche Arbeit und kopiert genetisches Material mit einer fragmentierten Rate von etwa 50 Basenpaaren pro Sekunde.

Dies ist jedoch sehr langsam zu replizieren menschliche Gene. Wenn die Kopiermaschinerie einer Zelle gleichzeitig am Kopf jedes ihrer 46 Chromosomen beginnt, wird das längste Chromosom – Nr. – fertiggestellt. 1, bei 249 Millionen Basenpaaren – in etwa zwei Monaten.

sagt James Berger, Strukturbiologe an der Johns Hopkins University School of Medicine in Baltimore und Co-Autor Essay zur DNA-Replikation in Eukaryoten Im Biochemistry Annual Review 2021. Hefezellen haben Hunderte potenzieller reproduktiver Ursprünge, wie sie genannt werden, und Tiere wie Mäuse und Menschen haben Zehntausende davon, die über ihr Genom verteilt sind.

„Aber das stellt eine eigene Herausforderung dar: Woher weiß man, wo man anfangen soll, und wie legt man den richtigen Zeitpunkt fest?“, sagt Berger. Ohne sorgfältige Kontrolle kann es vorkommen, dass manche DNA zweimal kopiert wird, was zu zellulärer Raserei führt.

Um diesen Aufruhr zu vermeiden, ist es besonders wichtig, den DNA-Replikationsprozess fest im Griff zu behalten. Heutzutage unternehmen Forscher Schritte hin zu einem umfassenderen Verständnis der molekularen Kontrollen und Gleichgewichte, die sich entwickelt haben, um sicherzustellen, dass jeder Elternteil nur einmal damit beginnt, DNA zu kopieren, um ein neues, vollständiges Genom genau zu erzeugen.

Mach es richtig, mach es schnell

Wenn die Replikation nicht ordnungsgemäß startet, können schlimme Dinge passieren. Damit DNA kopiert werden kann, muss sich die DNA-Doppelhelix öffnen, und die resultierenden Einzelstränge – die jeweils als Vorlage für den Aufbau eines neuen zweiten Strangs dienen – können brechen. Andernfalls könnte der Prozess abstürzen. „Man möchte Redundanz wirklich schnell lösen“, sagt John Devley, Biochemiker am Francis Crick Institute in London. Probleme bei der DNA-Replikation können dazu führen, dass das Genom desorganisiert wird, was oft ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zu Krebs ist.

Einige genetisch bedingte Krankheiten werden ebenfalls verursacht Probleme mit der DNA-Replikation. Beispielsweise wird das Meyer-Gorlin-Syndrom, das Kleinwuchs, kleine Ohren und kleine oder keine Kniescheiben mit sich bringt, durch Mutationen in mehreren Genen verursacht, die den Prozess der DNA-Replikation in Gang setzen.

Es bedarf eines eng koordinierten Tanzes Dutzender Proteine, damit die DNA-Replikationsmaschinerie am richtigen Punkt im Lebenszyklus einer Zelle mit der Replikation beginnt. Die Forscher haben eine ziemlich gute Vorstellung davon, welche Proteine ​​was tun, denn sie konnten die DNA-Replikation in zellfreien biologischen Mischungen im Labor durchführen. Sie ahmen die ersten kritischen Schritte beim Einleiten der Replikation nach unter Verwendung von Proteinen aus Hefe– die gleiche Art, die auch zur Herstellung von Brot und Bier verwendet wird – und sie haben einen Großteil des gesamten Replikationsprozesses nachgeahmt Verwendung menschlicher Kopien von ReplikationsproteinenAuch.

Die Zelle steuert den Beginn der DNA-Replikation in einem zweistufigen Prozess. Der Sinn dieses Prozesses besteht darin, die Wirkung eines entscheidenden Enzyms – der Helikase – zu kontrollieren, das die Doppelhelix der DNA in Vorbereitung auf deren Transkription abwickelt. Im ersten Schritt werden inaktive Helikasen am Ursprungsort auf die DNA geladen, wo die Replikation initiiert wird. Im zweiten Schritt wird die Helikase aktiviert, um die DNA zu entschlüsseln.

Bereit (Helicase herunterladen)…

Der Prozess beginnt mit einer Gruppe von sechs Proteinen, die am Ursprung sitzen. Diese Gruppe heißt ORC In Form eines doppelschichtigen Rings Bergers Team stellte fest, dass es über einen praktischen Schlitz verfügte, der es ihm ermöglichte, in DNA-Stränge zu gleiten.

In Bäckerhefe, einem Lieblingsprodukt von Wissenschaftlern, die sich mit der DNA-Replikation befassen, sind diese Startstellen leicht zu erkennen: Sie enthalten eine spezifische grundlegende DNA-Sequenz mit einer Länge von 11 bis 17 Buchstaben, die reich an den chemischen Basen Adenin und Thymin ist. Wissenschaftler sahen zu, wie ein Ork DNA schnappte und dann weiterrutschte, Finden Sie die Ursprungssequenz Bis er den richtigen Ort findet.

Aber bei Menschen und anderen komplexen Lebensformen sind die Initiationsorte nicht klar definiert, und es ist nicht ganz klar, was einen Ork dazu bringt, zu schnappen und festzuhalten, sagt Alessandro Costa, ein Strukturbiologe am Crick Institute, der zusammen mit Devley schrieb Über den Beginn der DNA-Replikation Im Annual Review of Biochemistry 2022. Es ist wahrscheinlich, dass die Replikation an Stellen beginnt, an denen sich das Genom – normalerweise eng um Proteine ​​namens Histone gewickelt – gelockert hat.

Sobald das ORC auf der DNA ruht, zieht es einen zweiten Proteinkomplex an: einen, der die Helix enthält, die schließlich die DNA abwickelt. Costa und Kollegen nutzten Elektronenmikroskopie, um zu sehen, wie Orks eingesetzt werden Lockt zuerst eine Helikase an, dann eine andere. Die Helikase ist ebenfalls ringförmig und jede einzelne entfaltet sich, um die doppelsträngige DNA zu umhüllen. Dann schließen sich die beiden Ebenen wieder und liegen sich auf den DNA-Strängen gegenüber, wie zwei Perlen auf einer Schnur.

Zuerst stehen sie einfach da wie Autos ohne Benzin im Tank. Sie ist noch nicht aktiviert und im Moment geht die Zelle ihrer gewohnten Arbeit nach.

Holen Sie sich ein Set (Helicase-Aktivierung) …

Die Dinge beginnen sehr schnell, als ein wichtiges Molekül namens CDK die grüne Flagge schwenkt und einen Sprung chemischer Schritte auslöst, der mehr Proteine ​​anlockt. Eine davon ist die DNA-Polymerase – Costa nennt sie die „Schreibmaschine“, die neue DNA-Stränge aufbaut – die an jede Helikase bindet. Andere aktivieren Helikasen, die nun Energie verbrennen können, um entlang der DNA zu fließen.

Wenn dies geschieht, verändert es die Form der Helikasen, indem es einen DNA-Strang drückt und den anderen zieht. Dies führt zu einer Belastung der schwachen Wasserstoffbrückenbindungen, die normalerweise die beiden Stränge durch die Basen zusammenhalten – die As, Cs, Ts und Gs, die die Sprossen der DNA-Leiter bilden. Die Büschel sind zerrissen. Costa und seine Kollegen haben beobachtet, wie diese beiden Hubschrauber waren Entschlüsseln Sie die DNA zwischen ihnenUnd sie haben gesehen, wie Flugzeuge ungebundene Stützpunkte stabil und aus dem Weg halten.

Gehen!

Am Anfang waren beide Zustände um beide DNA-Stränge gewickelt und konnten auf diese Weise nicht weit reichen, weil sie einander gegenüberstanden und aneinander stoßen würden. Doch dann kommt es zu einer Neupositionierung beider, wobei der eine oder andere DNA-Strang aus der Schleife ausgespuckt wird. Jetzt getrennt, können sie sich gegenseitig überdrängen und die Replikation geht zügig weiter.

Jeder Helicase-Motor bewegt sich entlang seines eigenen Gewindes, in entgegengesetzter Richtung zum anderen. Sie verlassen den Ursprung und entfernen sich auf ihrer Reise von den wasserstoffgebundenen Basenpaaren. Direkt dahinter steckt die DNA-Polymerase, die DNA-Buchstaben transkribiert, wenn sie von ihren Partnern befreit werden.

Die zweite Aufgabe des CDK besteht darin, zu verhindern, dass andere Flugzeuge auf die Vermögenswerte springen. Somit gibt es für jede Abstammung einen einzigen Replikationsstart, der eine ordnungsgemäße Transkription des Genoms gewährleistet – auch wenn die Transkription nicht an jeder Stelle gleichzeitig beginnt. Der gesamte Prozess der DNA-Replikation in menschlichen Zellen dauert etwa acht Stunden.

Es gibt noch viel zu tun. Zum einen handelt es sich bei der kopierten DNA nicht um eine nackte Doppelhelix. Es ist um Histone gewickelt und an viele andere Proteine ​​gebunden, die an der Aktivierung oder Deaktivierung von Genen beteiligt sind Kopien von Genen aus RNA erstellen. Wie beeinflussen sich diese Flussproteine ​​gegenseitig und vermeiden Konflikte miteinander?

Zusätzlich zu dieser faszinierenden grundlegenden Biologie – einem faszinierenden Prozess, der für alles Leben auf der Erde notwendig ist – gibt es Auswirkungen auf Krankheiten wie Krebs. Wissenschaftler wissen bereits, dass eine fehlerhafte Replikation die DNA destabilisieren kann und dass ein instabiles Genom, das zu Mutationen neigt, ein frühes Anzeichen für die Entstehung von Krebs sein kann. Täuschung Weitere Untersuchung Zusammenhänge zwischen Replikationsproteinen und Krebs.

„Ich denke, es gibt Möglichkeiten für therapeutische Interventionen für diese Systeme“, sagt Berger, „sobald wir genügend Erkenntnisse darüber haben, wie sie funktionieren und wie sie aussehen.“

Bernsteintanz, eine Wissenschaftsjournalistin aus der Gegend von Los Angeles, zerlegt große Aufgaben auch gerne in kleinere Teile: Sie brauchte fünf Tage, um die Entwurfsschritte für diesen Artikel abzuschließen. Dieser Artikel erschien ursprünglich in Bekanntes Magazin, ein unabhängiges journalistisches Unterfangen von Annual Reviews. Anmeldung die Nachrichten.