لایه جدیدی از مقررات ژن انسانی پیدا شد

محققان می گویند تکنیک جدیدی را توسعه داده اند که به ادعای آنها، می تواند برای اولین بار تعیین کند که یک رویداد مولکولی به نام “پسرفت” در ژنوم هر گونه چقدر و دقیقاً کجا رخ می دهد. نتایج مطالعه آنها “تداوم عقبگرد توسط RNA پلیمراز II انسانی”، که در سلول مولکولی، به گفته این تیم به سرپرستی دانشمندان دانشکده پزشکی NYU گروسمن، از این نظریه حمایت می کند که عقب نشینی شکل گسترده ای از تنظیم ژن را نشان می دهد که بر هزاران ژن انسانی تأثیر می گذارد، از جمله ژن های بسیاری که در فرآیندهای اساسی زندگی مانند تقسیم سلولی و رشد در رحم نقش دارند. .

در سال 1997، دکتر اوگنی نادلر و همکارانش مقاله‌ای منتشر کردند که نشان می‌داد RNA پلیمراز گاهی اوقات می‌تواند در امتداد زنجیره‌ای که می‌خواند به عقب بچرخد، پدیده‌ای که آن‌ها آن را «بازگشت» نامیدند. مطالعات از آن زمان نشان داده است که گهگاه پس از شروع سنتز RNA RNA پلیمراز یا هنگامی که با DNA آسیب دیده مواجه می شود تا جایی برای آنزیم های ترمیم ورودی ایجاد شود، عقبگرد در سلول های زنده اتفاق می افتد. کار بعدی نشان داد که ماشین‌های لغزش و تعمیر باید به سرعت کار کنند و از بین بروند، یا ممکن است با DNA پلیمراز برخورد کنند و باعث شکستگی‌های القا کننده مرگ سلولی در زنجیره‌های DNA شوند.

مستقیم تشخیص

اکنون، مطالعه جدید به رهبری تیم Nudler در NYU Langone Health نشان می‌دهد که تکنیک جدید آن‌ها، Long Range Cleavage Sequencing (LORAX-seq)، می‌تواند مستقیماً تشخیص دهد که رویدادهای عقب‌نشینی کجا شروع و پایان می‌یابند. با تکمیل رویکردهای گذشته که غیرمستقیم یا محدود بودند، روش جدید نشان می‌دهد که بسیاری از این رویدادها بیشتر از آن چیزی که تصور می‌شد به عقب برمی‌گردند و در انجام این کار طولانی‌تر می‌مانند. نتایج همچنین نشان می‌دهد که عقب‌گردی مداوم اغلب در سرتاسر ژنوم‌ها اتفاق می‌افتد، اغلب در نزدیکی انواع خاصی از ژن‌ها اتفاق می‌افتد و عملکردهایی فراتر از ترمیم DNA دارد.

RNA پلیمراز II (RNA Pol II) می‌تواند در طول رونویسی طول بکشد و انتهای 3′ RNA نوپا را آشکار کند. توالی‌یابی RNA نوپا می‌تواند مکان رویدادهای عقب‌گرد را که به سرعت حل می‌شوند، تقریبی نشان دهد. با این حال، وسعت و توزیع گسترده ژنوم عقبگرد مداوم تر ناشناخته است. در نتیجه، ما روشی را برای تعیین توالی مستقیم RNA 3′ اکسترود شده ایجاد کردیم.

داده‌های ما نشان می‌دهد که RNA Pol II در سلول‌های انسانی بیش از 20 nt به عقب می‌لغزد و می‌تواند در این حالت عقب‌نشینی باقی بماند. عقبگرد مداوم عمدتاً در جایی اتفاق می‌افتد که RNA Pol II در نزدیکی پروموترها و اتصالات اینترون-اگزون مکث می‌کند و در ژن‌های دخیل در ترجمه، تکثیر و توسعه غنی می‌شود، جایی که در صورت حل نشدن این رویدادها بیان ژن کاهش می‌یابد. ژن‌های هیستون به شدت مستعد عقب‌گردی مداوم هستند و حل چنین رویدادهایی احتمالاً برای بیان به موقع در طول تقسیم سلولی مورد نیاز است.

این نتایج نشان می دهد که عقب نشینی مداوم می تواند به طور بالقوه بر برنامه های مختلف بیان ژن تأثیر بگذارد.

ثبات شگفت انگیز

نادلر، نویسنده ارشد این مطالعه، و پروفسور جولی ویلسون اندرسون در بخش بیوشیمی و مولکولی می‌گوید: «پایداری شگفت‌انگیز عقب‌گردی در فواصل طولانی‌تر، این احتمال را ایجاد می‌کند که نشان‌دهنده یک شکل گسترده از تنظیم ژنتیکی در گونه‌ها از باکتری تا انسان باشد. فارماکولوژی در NYU Langone. اگر کار بیشتر یافته‌های ما را به برنامه‌های مختلف رشد و شرایط پاتولوژیک گسترش دهد، عقب‌گردی ممکن است شبیه به اپی ژنتیک باشد، که کشف آن لایه‌ای شگفت‌انگیز از تنظیم ژن را بدون تغییر کد DNA نشان داد.

مطالعات گذشته نشان داده است که با عقب نشینی RNA پلیمراز II، نوک زنجیره RNA را که بر اساس کد DNA ساخته است، از کانال داخلی خود خارج می کند. از آنجایی که عقبگرد طولانی مدت مستعد ایجاد برخوردهای مضر است، تصور می شود که رونویسی به سرعت توسط فاکتور رونویسی IIS (TFIIS) بازیابی می شود، که باعث قطع (شکاف) RNA اکسترود شده و “پسرفته” می شود. این راه را برای RNA پلیمراز II باز می کند تا خواندن کد رو به جلو خود را از سر بگیرد.

با این حال، سایر مطالعات قبلی نشان داده بودند که وقتی پلیمراز از یک فاصله معین عقب نشینی می کند (مثلاً 20 بلوک سازنده DNA نوکلئوباز)، RNA عقب مانده می تواند به کانالی که از طریق آن اکسترود می شود بچسبد و آن را برای مدت طولانی تری در جای خود نگه دارد. کمپلکس‌های قفل‌شده و عقب‌نشینی احتمال کمتری دارد که توسط برش مبتنی بر TFIIS نجات پیدا کنند، و احتمال اینکه رونویسی ژن درگیر را به تاخیر بیندازند.

این منجر به این نظریه شد که عقب نشینی، علاوه بر ایفای نقش کلیدی در مسیرهای ترمیم DNA، ممکن است باعث افزایش یا کاهش عملکرد ژن ها به عنوان یک مکانیسم تنظیمی اصلی شود.

به گفته محققان، TFIIS احتمالا در غلظت‌های پایین در سلول‌های زنده رخ می‌دهد و با صدها پروتئین دیگر برای رسیدن به RNA عقب‌افتاده و قطع آن رقابت می‌کند تا رونویسی ادامه یابد. در مطالعه کنونی، تیم در عوض از غلظت بالایی از TFIIS خالص شده (بدون پروتئین رقیب) استفاده کرد تا تکه‌ای از RNA عقب‌افتاده را در هر جایی که در کد ژنتیکی سلول وجود دارد، به طور دقیق برش دهد. این باعث شد که قطعه‌های برش‌شده در دسترس فناوری‌هایی قرار بگیرند که دنباله‌های کد را می‌خوانند و سرنخ‌هایی از مکان‌ها و عملکردهای آن‌ها ارائه می‌دهند.

تیم تحقیقاتی همچنین دریافتند که ژن‌هایی که هیستون‌ها را کنترل می‌کنند، به شدت مستعد عقب‌گردی مداوم هستند. نویسندگان نظریه می‌دهند که میزان وقوع این اتفاق، با تغییرات مرتبط در رونویسی ژن‌های خاص، ممکن است زمان تجمع هیستون در مقیاس بزرگ را که در طول تقسیم سلولی برای بازسازی کروماتین لازم است، کنترل کند. آنها همچنین پیشنهاد می کنند که عقب نشینی مداوم ممکن است بر رونویسی به موقع ژن های حیاتی برای رشد بافت تأثیر بگذارد.

کوین یانگ، نویسنده اولین مطالعه، دانشجوی فارغ التحصیل در آزمایشگاه نادلر، می گوید: «همراه با عملکردهای بالقوه مفید، عقب نشینی مداوم می تواند منجر به آسیب DNA و سایر نقص های ژنتیکی شود که به بیماری کمک می کند. به عنوان مثال، ما حدس می زنیم که اندازه گیری عقب نشینی در زمینه پیری یا سرطان ممکن است به ما کمک کند تا بفهمیم چرا عملکرد نادرست در پاسخ استرس سلولی و تکثیر سلولی رخ می دهد و رویکردهای درمانی جدیدی را پیشنهاد می کنیم.