Nowa struktura DNA w telomerach – krok do dłuższego życia
Biofizycy z Uniwersytetu w Lejdzie odkryli nową strukturę DNA w zakończeniach chromosomów, czyli telomerach. Telomery, chociaż same nie kodują białek, odgrywają kluczową rolę w ochronie DNA i podziale komórek. Z każdym podziałem robią się jednak krótsze, a ich koniec to śmierć komórki. Dlatego każde dotyczące ich odkrycie jest na wagę życia.
Telomery to końcowe fragmenty chromosomów. Nie znajdziemy na nich genów, więc nie kodują białek, czyli nie przekładają się na nasze cechy (jak wyglądamy, na co jesteśmy odporni, jak działa nasz organizm itd.). Pełnią jednak inne, niezwykle ważne funkcje dla naszego genomu i dla nas. Chronią chromosomy przed uszkodzeniem, zapobiegają nieprawidłowej ekspresji DNA i umożliwiają replikację chromosomu, co jest podstawową sprawą przy podziale komórki. Bez nich podział komórki, źródło całego życia, nie byłby możliwy, lecz podczas każdego podziału robią się nieco krótsze. Kiedy telomery staną się zbyt krótkie, komórka umiera. Właśnie dlatego nazywane są czasem zegarami komórkowymi, a to w przybliżeniu oznacza – zegarami naszego życia.
Kiedy komórki tracą zdolność do podziału, coraz więcej z nich po śmierci nie znajduje zastępcy – na tym polega starzenie się. Proces ten zachodzi nie tylko u człowieka – telomery działają podobnie i są prawie identyczne u każdej żywej istoty. Nie trudno więc zrozumieć, jak ważne jest ich bliższe poznanie. Im bardziej telomery będą nam znane, tym większa szansa, że zrozumiemy procesy starzenia się. A może – uda nam się na nie wpłynąć?
Biofizycy z Uniwersytetu w Lejdzie, pracujący w Leiden Institute of Physics (LION) pod kierownictwem profesora biofizyki Johna van Noorta, badając telomery odkryli, że występuje w nich inna, nieznana wcześniej struktura DNA. Żeby ją opisać, warto najpierw wyjaśnić, jak wyglądają pozostałe, wcześniej już zbadane i opisane struktury.
Materiał genetyczny, czyli DNA, jest w każdej komórce zorganizowany w postaci chromosomów, które występują w parach. W ludzkich komórkach są 23 pary chromosomów, zaś u zwierząt i pozostałych istot żywych może być więcej lub mniej (od kilku do nawet kilku tysięcy). Na chromosomach znajdują się nici DNA, z których część służy do kodowania białek, czyli produkcji wszystkich elementów organizmu napędzających organizm do życia. Na końcach chromosomów znajdują się właśnie telomery, które działają trochę tak, jak skuwki na końcach sznurowadeł – trzymają wszystko w jednej całości.
Między telomerami można odnaleźć około 2 metrów DNA, które w pewien określony sposób nawija się na białka zwane histonami. DNA i białko razem tworzą nukleosom. Ten „określony sposób nawijania się”, to właśnie struktury, o których tu mowa. Dotąd znane były dwa rodzaje takich struktur. W jednej z nich białka z nawiniętym DNA łączą się w pary, tworząc układ: dwa nukleosomy – niezwiązane DNA – dwa nukelosomy – niezwiązane DNA itd. W drugiej nukleosomy nie kleją się, więc układ jest 1:1, przy czym nukleosomy układają się w symetryczne stosy (obrazuje to ilustracja obok).
Zespół prof. van Noorta odkrył, że DNA w telomerach układa się w jeszcze inny sposób. Nukleosomy są tak blisko siebie, że nie ma między nimi w ogóle wolnego (niezwiązanego) DNA. Połączone jeden za drugim tworzą jedną, równą helisę DNA.
Aby dokonać takiego odkrycia, konieczne było połączenie sił mikroskopii elektronowej i spektroskopii sił molekularnych. Ta druga technika jest charakterystyczna dla laboratorium van Noorta. Opisując to obrazowo: jeden koniec nici DNA zaczepiony jest o szkło, a do drugiego przyczepiona jest magnetyczna kulka. Zestaw magnesów ciągnie kulkę i rozciąga DNA, a to ile siły potrzeba do jego rozciągnięcia, pozwala policzyć jak jest zagięty, a więc – jaka jest jego struktura. Następnie, we współpracy z badaczami z Singapuru, biofizycy przy pomocy mikroskopu elektronowego precyzyjnie zobrazowali to, co wcześniej policzyli.
Dlaczego właściwie jest to ważne? Jak wyjaśnia prof. van Noort, struktura jest „świętym Graalem biologii molekularnej”. Jeżeli wiemy jaka jest struktura cząsteczek, jesteśmy bliżej do wyjaśnienia, jak odbywa się włączanie i wyłączanie genów, a także, jak enzymy w komórkach współdziałają z telomerami podczas podziału komórki. A to daje nam szanse na bardziej precyzyjne poznanie tych elementów budulcowych organizmu. To z kolei pomoże nam w badaniach dotyczących umierania komórek i starzenia się, czy też w badaniach takich chorób jak nowotwory i w opracowaniu zwalczających je leków.
Badania: Aghil Soman et al, Columnar structure of human telomeric chromatin, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05236-5
Opracowno na podstawie artykułu Can we live longer? Leiden physicist makes discovery in protective layer in genes opublikowanego w materiałach prasowych Uniwersytetu w Lejdzie – https://www.universiteitleiden.nl/en/
