Istraživači su stekli jasniji uvid u to kako uobičajene promene u strukturi DNK utiču na proces replikacije DNK.
Ove strukturne promene mogu zaustaviti replikaciju, uzrokujući „stres replikacije“, koji utiče na stabilnost genoma i dobro je utvrđeno obeležje raka.
Otkrivajući kako određene strukture DNK izazivaju stres replikacije, ovaj rad doprinosi boljem razumevanju kako se rak razvija. Takođe može otvoriti vrata novim pristupima lečenja koji bi mogli biti efikasni kod više vrsta raka.
Studija, koju su vodili istraživači sa Instituta za istraživanje raka u Londonu, objavljena je u časopisu EMBO.
Istraživači su koristili prečišćene faktore replikacije da ponovo kreiraju proces replikacije DNK u epruveti. U kombinaciji sa raznim najsavremenijim tehnikama, istraživali su efekte alternativnih struktura DNK zvanih G-kvadrupleksi (G4s) i i-motivi (iMs) na replikaciju DNK. Kroz niz eksperimenata, oni su pokazali da je samo jedna G4 ili iM struktura dovoljna da zaustavi proces replikacije. Takođe su otkrili da iM mogu izazvati lomljenje DNK.
Prepreke replikaciji DNK mogu izazvati različita preuređivanja genoma, u kojima geni mogu biti obrisani, premešteni negde drugde ili mutirani. Ove promene takođe mogu uticati na ekspresiju gena.
Ako oštećenje DNK ili izmenjena ekspresija gena utiče na ćelijske procese, to može dovesti do nekontrolisane ćelijske deobe i razvoja raka. Prethodna istraživanja sugerišu da je oko dve trećine mutacija koje izazivaju rak rezultat grešaka napravljenih tokom replikacije DNK.
Replikacija DNK je suštinski deo ćelijske deobe. Pre nego što se ćelija podeli, ona stvara kopiju svog celog genoma tako da svaka od rezultirajućih ćelija kćeri ima sve suštinske genetske informacije. Proteinski kompleks koji se naziva replizom okuplja se na svakom od hiljada inicijalnih mesta širom genoma, koji se nazivaju poreklo replikacije. Enzim koji se zove helikaza odmotava strukturu dvostruke spirale, izlažući nukleotide – građevne blokove DNK – na dva odvojena lanca.
Enzimi zvani DNK polimeraze koriste svaki roditeljski lanac kao šablon, pravilno uparujući slobodno dostupne nukleotide sa izloženim nukleotidima na lancu. Matični lanac i novi lanac se zatim ponovo namotaju u uobičajenu strukturu dvostruke spirale.
Dok je DNK izložena u jednolančanom obliku, određene sekvence se mogu saviti u neobične sekundarne strukture DNK. Sekvence koje sadrže mnogo gvaninskih (G) nukleotida mogu se sklopiti u strukturu koja se zove G-kvadrupleks ili G4, dok sekvence bogate citozinskim (C) nukleotidima mogu formirati drugačiji tip kvadrupleksne strukture koja se naziva interkalirani motiv ili iM. Obe vrste struktura su povezane sa genetskom nestabilnošću i mutacijama.
Istraživači su započeli rekreiranjem replikacije DNK u epruveti, posebno gledajući poznate sekvence koje formiraju G4 i iM. Obe vrste sekvenci su izazvale zastoj replikacije DNK, a sekvence koje formiraju iM takođe su mogle da izazovu prekide u DNK.
Međutim, tim je želeo da pokaže da su za to odgovorne same sekundarne strukture, a ne sekvence nukleotida. Da bi to uradili, naučnici su namerno uveli mutacije da poremete strukture. Kao što je predviđeno, ovo je dovelo do značajnog smanjenja zastoja. Štaviše, koristili su najsavremenije tehnologije senzora nanopora u saradnji sa naučnicima sa Univerziteta u Kembridžu kako bi pokazali da DNK korišćena u njihovim eksperimentima nema već postojeće strukture. Ovaj rezultat je potvrdio da se strukture formiraju kao posledica replikacije.
Njihov sledeći cilj je bio da utvrde kako tačno strukture zaustavljaju replikaciju DNK. Dve glavne mogućnosti su bile da je helikaza zaustavljena ili da je polimeraza inhibirana. Tim je direktno testirao sposobnost helikaze zvane CMG da odmota strukture i utvrdio da je u stanju da zaobiđe G4 i iM na vreme. Međutim, sinteza novog lanca je i dalje inhibirana, što sugeriše da je pogođena polimeraza.
Na osnovu toga, istraživači predlažu da problemi replikacije DNK nastaju usled razdvajanja helikaze i polimeraze, što dovodi do izlaganja jednolančane DNK.
Dr Gideon Coster, vođa tima tima za replikaciju genoma u ICR-u, rekao je: „Dok stres replikacije može biti izazvan raznim faktorima, najčešći unutrašnji izvor je sam DNK šablon. Naš rad pokazuje da određene sekvence u ljudskom genomu dovode do sekundarnih struktura koje su same po sebi dovoljne da zaustave replikaciju. Trenutne procene sugerišu da postoje stotine hiljada sekvenci koje formiraju G4 u ljudskom genomu, tako da postoji veliki potencijal da se to dogodi.“
Ovaj rad je poboljšao razumevanje naučnika o tome kako je nestabilnost genoma uzrokovana ponavljajućim sekvencama DNK koje formiraju strukturu. Ovo saznanje je relevantno ne samo za rak, već i za druge bolesti, uključujući neurodegenerativna stanja uzrokovana ponovljenim ekspanzijama, kao što su krhki Ks sindrom i Hantingtonova bolest.
Dugoročno, istraživači se nadaju da će zdravstveni radnici možda moći da iskoriste status stresa replikacije pacijenta da pomognu u donošenju odluka o lečenju. Na primer, jednolančana DNK može biti koristan biomarker za dijagnozu tumora.
Oni takođe veruju da njihov rad može dovesti do identifikacije novih meta droga. Poznato je da određeni mali molekuli koji se vezuju za G4 mogu uticati na njihovu stabilnost, tako da oni mogu biti privlačne mete lekova. Druga opcija je ciljanje na mnoge helikaze koje imaju ulogu u odmotavanju sekundarnih struktura DNK.
Prva autorka Sophie Villiams, doktorat na poslednjoj godini. student u timu za replikaciju genoma na ICR-u, rekao je: „Ove sekundarne strukture DNK koje se često javljaju su uobičajena žarišta mutacija kod raka. Već neko vreme znamo da igraju ulogu u razvoju raka, ali ovaj rad je unapredio naše razumevanje specifičnog načina na koji doprinose nestabilnosti genoma.
„Razumevanje pokretača replikacijskog stresa je od suštinskog značaja za razvoj efikasnih terapija koje ciljaju na ćelijski odgovor na stres replikacije i oštećenje DNK.“
