معلومة

هل يمكن أن يتسبب شيء ما في حدوث فواصل وتقاطع في الحمض النووي؟

هل يمكن أن يتسبب شيء ما في حدوث فواصل وتقاطع في الحمض النووي؟



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

إن كسر الخيط المزدوج في الحمض النووي هو بالضبط: يتم قطع خيوط الحمض النووي. يحدث الارتباط المتبادل عندما يشكل شيء ما رابطة تساهمية بين نيوكليوتيدات في الحمض النووي. ومع ذلك ، هل من الممكن أن يشكل شيء ما فاصلًا متصالبًا وخيطًا مزدوجًا (أو خيطًا مفردًا)؟ على سبيل المثال ، هل يمكن أن يتسبب جزء من جزيء ما في حدوث انقطاع بينما يتفاعل جزء آخر لتشكيل ارتباط متقاطع؟

لأغراض هذا السؤال ، يتم أيضًا حساب الإنزيمات أو البروتينات التي تقوم بذلك (إن وجدت).


يشكل السيسبلاتين روابط متشابكة لبروتين DNA (لذا فإن DNA-protein-DNA بالامتداد) في المختبر [1] وتقول المراجعة [2] أن السيسبلاتين يؤدي إلى DSBs (على الرغم من أنني لا أستطيع الوصول إلى المصدر الأساسي في الوقت الحالي). لكنك تعلم ، باستثناء الإشعاع المؤين ، أن المطفرات عادةً لا تسبب تكوُّن DSBs بشكل مباشر. إنه ناتج عن عمليات الإصلاح أو أشياء مثل التوقف عند شوكات النسخ المتماثل بسبب الطفرات.

[1] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1874601/

[2] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4047912/#!po=11.9919


الأشعة فوق البنفسجية يمكن أن تحفز كل من تشابك الحمض النووي وفواصل حبلا مزدوجة. فيما يلي ورقة تُبلغ عن محددات التسلسل للارتباطات المتشابكة التي تسببها الأشعة فوق البنفسجية:

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11342214

فيما يلي مقال يقترح فيه المؤلفون أن الفواصل المزدوجة التي يسببها الأشعة فوق البنفسجية هي نتيجة لإصلاح الآفات المؤكسدة ، وليست نتيجة أولية للكيمياء الضوئية للأشعة فوق البنفسجية.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3488256/


يكمن تكسر الحمض النووي في أساس كل من التلف المتصل بالتعلم والتقدم في العمر

يتم توفير الصور للتنزيل على موقع مكتب MIT الإخباري للكيانات غير التجارية والصحافة وعامة الجمهور بموجب ترخيص Creative Commons Attribution Non-Commercial No Derivatives. لا يجوز لك تغيير الصور المقدمة ، بخلاف قصها حسب الحجم. يجب استخدام حد ائتمان عند إعادة إنتاج الصور إذا لم يتم توفير أحدها أدناه ، فامنح الصور إلى "MIT".

الصورة السابقة الصورة التالية

تشير دراسة جديدة أجراها باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إلى أن العملية التي تسمح لأدمغتنا بالتعلم وتوليد ذكريات جديدة تؤدي أيضًا إلى الانحطاط مع تقدمنا ​​في العمر.

هذا الاكتشاف ، الذي ورد في ورقة بحثية نشرت اليوم في المجلة زنزانة، يمكن أن تساعد الباحثين في نهاية المطاف على تطوير أساليب جديدة لمنع التدهور المعرفي في الاضطرابات مثل مرض الزهايمر.

في كل مرة نتعلم شيئًا جديدًا ، تكسر خلايا الدماغ حمضها النووي ، مما يتسبب في تلف يجب على الخلايا العصبية إصلاحه على الفور ، وفقًا لـ Li-Huei Tsai ، أستاذ Picower لعلم الأعصاب ومدير معهد Picower للتعلم والذاكرة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

هذه العملية ضرورية للتعلم والذاكرة. يقول تساي: "تكسر الخلايا من الناحية الفيزيولوجية حمضها النووي للسماح بالتعبير عن جينات مهمة معينة". "في حالة الخلايا العصبية ، يحتاجون إلى كسر الحمض النووي الخاص بهم لتمكين التعبير عن جينات الاستجابة المبكرة ، والتي تمهد في النهاية الطريق لبرنامج النسخ الذي يدعم التعلم والذاكرة ، والعديد من السلوكيات الأخرى."

إصلاح أبطأ للحمض النووي

ومع ذلك ، مع تقدمنا ​​في العمر ، تضعف قدرة خلايانا على إصلاح تلف الحمض النووي ، مما يؤدي إلى الانحطاط ، كما يقول تساي. يقول تساي: "عندما نكون صغارًا ، تخلق أدمغتنا فواصل في الحمض النووي بينما نتعلم أشياء جديدة ، لكن خلايانا تتفوق على ذلك تمامًا ويمكنها إصلاح الضرر بسرعة للحفاظ على وظائف النظام". "ولكن أثناء الشيخوخة ، وخاصة مع بعض الحالات الوراثية ، تكون كفاءة نظام إصلاح الحمض النووي معرضة للخطر ، مما يؤدي إلى تراكم الضرر ، وقد يكون هذا ضارًا للغاية في رأينا."

في بحث سابق عن مرض الزهايمر في الفئران ، وجد الباحثون أنه حتى في مرحلة ما قبل الأعراض من الاضطراب ، تحتوي الخلايا العصبية في منطقة الحصين في الدماغ على عدد كبير من آفات الحمض النووي ، والمعروفة باسم فواصل الشريط المزدوج.

لتحديد كيف ولماذا يتم إنشاء هذه الفواصل المزدوجة ، وما هي الجينات التي تتأثر بها ، بدأ الباحثون في التحقيق في ما سيحدث إذا تسببوا في مثل هذا الضرر في الخلايا العصبية. طبقوا عاملًا سامًا على الخلايا العصبية المعروف عنها أنها تحفز انكسارات الشرائط المزدوجة ، ثم حصدوا الحمض النووي الريبي من الخلايا للتسلسل.

اكتشفوا أنه من بين 700 جينة أظهرت تغيرات نتيجة لهذا الضرر ، قللت الغالبية العظمى من مستويات التعبير ، كما هو متوقع. من المثير للدهشة أن 12 جينًا - المعروف عنها أنها تلك التي تستجيب بسرعة لتحفيز الخلايا العصبية ، مثل تجربة حسية جديدة - أظهرت مستويات تعبير متزايدة بعد فواصل الخيط المزدوج.

لتحديد ما إذا كانت هذه الفواصل تحدث بشكل طبيعي أثناء التحفيز العصبي ، قام الباحثون بعد ذلك بمعالجة الخلايا العصبية بمادة تتسبب في تقوية نقاط الاشتباك العصبي بطريقة مماثلة للتعرض لتجربة جديدة.

يقول تساي: "من المؤكد أننا وجدنا أن العلاج زاد بسرعة كبيرة من التعبير عن جينات الاستجابة المبكرة تلك ، ولكنه تسبب أيضًا في حدوث انكسارات مزدوجة في الحمض النووي".

الخير مع السيئ

في مزيد من الدراسات ، تمكن الباحثون من تأكيد أن إنزيمًا يُعرف باسم Topoisomerase IIβ مسؤول عن انكسار الحمض النووي استجابةً للتحفيز ، وفقًا لمؤلف الورقة الرئيسي رام مادابوشي ، وهو باحث ما بعد الدكتوراة في مختبر تساي.

يقول مادابوشي: "عندما حطمنا هذا الإنزيم ، وجدنا أن كلا من تشكيل كسر الخيط المزدوج والتعبير عن جينات الاستجابة المبكرة قد انخفض".

أخيرًا ، حاول الباحثون تحديد سبب احتياج الجينات إلى مثل هذه الآلية الجذرية للسماح بالتعبير عنها. باستخدام التحليل الحسابي ، درسوا تسلسل الحمض النووي بالقرب من هذه الجينات واكتشفوا أنها قد تم تخصيبها بنمط أو نمط تسلسلي للارتباط ببروتين يسمى CTCF. من المعروف أن هذا البروتين "المعماري" يخلق حلقات أو انحناءات في الحمض النووي.

في جينات الاستجابة المبكرة ، تعمل الانحناءات الناتجة عن هذا البروتين كحاجز يمنع عناصر مختلفة من الحمض النووي من التفاعل مع بعضها البعض - وهي خطوة حاسمة في تعبير الجينات.

يقول تساي إن فواصل الشرائط المزدوجة التي أنشأتها الخلايا تسمح لها بهدم هذا الحاجز ، وتمكين جينات الاستجابة المبكرة من التعبير عنها.

"المثير للدهشة إذن ، على الرغم من أن الحكمة التقليدية تشير إلى أن آفات الحمض النووي سيئة للغاية - لأن هذا" الضرر "يمكن أن يكون مسببًا للطفرات ويؤدي أحيانًا إلى الإصابة بالسرطان - فقد اتضح أن هذه الانقطاعات هي جزء من الوظيفة الفسيولوجية للخلية ، كما يقول تساي.

أظهرت الأبحاث السابقة أن تعبير الجينات المشاركة في التعلم والذاكرة ينخفض ​​مع تقدم الناس في العمر. لذلك يخطط الباحثون الآن لإجراء مزيد من الدراسات لتحديد كيفية تغيير نظام إصلاح الحمض النووي مع تقدم العمر ، وكيف يضعف هذا من قدرة الخلايا على التعامل مع الإنتاج المستمر وإصلاح فواصل الخيوط المزدوجة.

كما يخططون أيضًا للتحقق مما إذا كانت بعض المواد الكيميائية يمكن أن تعزز قدرة إصلاح الحمض النووي.

تمثل الورقة تقدمًا مفاهيميًا مهمًا في فهمنا لتنظيم الجينات ، وفقًا لبروس يانكنر ، أستاذ علم الوراثة وعلم الأعصاب في كلية الطب بجامعة هارفارد والذي لم يشارك في البحث.

يقول: "يربط العمل بأناقة تشكيل كسر خيوط الحمض النووي بواسطة إنزيم توبويزوميراز IIβ بالتحكم الزمني في النسخ ، مما يوفر الدليل الأكثر إقناعًا حتى الآن على أن هذه آلية أساسية للتحكم في النسخ". "أتوقع أن يكون لهذا التقدم تداعيات واسعة تتراوح من علم الأحياء الأساسي للنسخ إلى الآليات المرضية المرتبطة بأمراض مثل مرض الزهايمر."


الفصل 14 طفرة وإصلاح الحمض النووي

مثال على سرطان القولون:
- الطفرات الطفرات اللازمة في الجينات الرئيسية (خافضات الأورام وبرو أوكتون لجميع أنواع السرطان)
- النقطة الأساسية هي أن الطفرات تنشأ في خلية واحدة ثم تنتقل إلى الخلايا الوليدة ولكن فقط في تلك السلالة. (لذلك لا تتأثر كل خلية)

مثال:
- يمكن ملاحظة آثار حذف ثلاثة نيوكليوتيدات في التليف الكيسي.
- الطفرات المسؤولة عن التليف الكيسي هي في الجين المشفر لمنظم التوصيل عبر الغشاء للتليف الكيسي
- خلل في CFTR يسبب اختلالات في الأيونات ينتج عنها إفرازات غير طبيعية من العديد من أنواع الخلايا التي يتم التعبير عن جين CFTR فيها.

الحذف: منطقة من الكروموسوم مفقودة.
-يمكن أن ينتج الحذف عن خطأ في النسخ المتماثل أو من انضمام فواصل في كروموسوم تحدث على جانبي المنطقة المحذوفة. على الرغم من أن الحذف قد يقضي على الجين الضروري للبقاء ، إلا أن الحذف يمكن أن يستمر في السكان لأن الكروموسومات تحدث عادة في أزواج متجانسة. إذا كان أحد أعضاء الزوج المتماثل لديه حذف لجين أساسي ولكن الجين موجود في العضو الآخر من الزوج ، فإن هذه النسخة الواحدة من الجين غالبًا ما تكون كافية للبقاء والتكاثر. في هذه الحالات ، يمكن أن ينتقل الحذف من جيل إلى جيل ويستمر دون ضرر ، طالما أن الكروموسوم موجود جنبًا إلى جنب مع الكروموسوم الطبيعي.
- تقلل بعض عمليات الحذف من فرصة بقاء أو تكاثر الكائن الحي حتى عندما يكون الكروموسوم المتماثل طبيعيًا. بشكل عام ، كلما زاد الحذف ، قلت فرصة البقاء على قيد الحياة.

-عادةً لا يكون العدد الإجمالي لنسخ كل جين هو المهم ، بل عدد نسخ كل جين بالنسبة للجينات الأخرى.

- تؤثر بعض أنواع الضرر على بنية الحلزون المزدوج للحمض النووي. وتشمل هذه الكسور في العمود الفقري للسكر والفوسفات ، وهو أحد التأثيرات المطفرة الرئيسية للأشعة السينية. يمكن أن تحدث الكسور في خيط واحد فقط من الحمض النووي أو كليهما. يمكن أن تسبب الأشعة فوق البنفسجية روابط متقاطعة بين قواعد بيريميدين المجاورة ، وخاصة الثايمين ، مما يؤدي إلى تكوين ثايمين الثايمين. يؤدي الترابط التساهمي بين الثيمينات المجاورة في خيط DNA إلى انضغاط اللولب المزدوج ، ويصبح كل من الأخدود الرئيسي والأخدود الصغير أوسع ، ويضعف الاقتران بقاعدة T-A.

- نوع آخر من الضرر الهيكلي هو فقدان القاعدة من أحد سكريات الديوكسيريبوز ، مما يؤدي إلى فجوة في خيط واحد حيث لا توجد قاعدة. يعد الفقد العفوي لقاعدة البيورين أحد أكثر أنواع تلف الحمض النووي شيوعًا ، ويحدث بمعدل حوالي 13000 بورينات مفقودة لكل خلية بشرية يوميًا. تنتج معظم هذه الطفرات عن التفاعل بين الحمض النووي والمنتجات الثانوية الأيضية الطبيعية. يزيد المعدل مع تقدم العمر ، ويمكن أيضًا زيادته عن طريق التعرض لعوامل مؤكسدة مثل التبييض المنزلي أو بيروكسيد الهيدروجين.

- أنواع أخرى من الضرر تؤثر على القواعد نفسها. تميل القواعد التي تعرضت للتلف كيميائيًا إلى الخطأ في الاقتران. تتلف بعض القواعد تلقائيًا عندما يحل التفاعل مع جزيء الماء محل المجموعة الأمينية (-NH2) بذرة من الأكسجين (= O) ، مما يتعارض مع قدرة القاعدة على تكوين روابط هيدروجينية مع مكمل. تحاكي بعض الجزيئات التي تحدث بشكل طبيعي القواعد ويمكن دمجها في الحمض النووي وتسبب بدائل النوكليوتيدات. يحاكي الكافيين قاعدة البيورين ، على سبيل المثال (على الرغم من كونه مسببًا للطفرات ، فإن كمية الكافيين المطلوبة أكبر بكثير مما يمكن أن يستهلكه أي شخص عادي).

- المواد الكيميائية شديدة التفاعل تميل إلى أن تكون مطفرة ، غالبًا لأنها تضيف مجموعات جانبية ضخمة إلى القواعد التي تعيق الاقتران الصحيح للقاعدة

- نوع واحد من الليجاز يسد الشقوق المفردة في الحمض النووي ، ونوع مختلف يغلق الفواصل المزدوجة التي تقطعت بها السبل. غالبًا ما تؤدي الفواصل المزدوجة الجديلة إلى إعادة ترتيب الكروموسومات لأنها أقل احتمالية للإصلاح من الكسور أحادية الجديلة. بالإضافة إلى أهميتها في تكرار الحمض النووي وإصلاحه ، تعتبر ligases أداة مهمة في البحث في البيولوجيا الجزيئية لأنها تسمح لجزيئات الحمض النووي من مصادر مختلفة بالانضمام لإنتاج الحمض النووي المؤتلف
^^^^^^
- يعتني DNA ligase بالفواصل في العمود الفقري للحمض النووي
- يتطلب مجموعة 5'PO و 3'OH من أجل تكوين رابطة فوستيرد لإصلاح هذا الكسر.

- يتم تصحيح حوالي 99٪ من القواعد التي تم ازدواجها بشكل خاطئ على الفور من خلال وظيفة التدقيق اللغوي لبوليميراز الحمض النووي ، حيث يتم إزالة النيوكليوتيدات التي تم مزاوجها بشكل خاطئ فور دمجها واستبدالها بالنيوكليوتيدات الصحيحة.
^^^^^^
- التدقيق اللغوي هو وظيفة بوليميراز الدنا.
- عندما يتم وضع نيوكليوتيد غير صحيح ، فإن البوليميراز لديه وظيفة تحرير 3 إلى 5. إنه نوع من يأخذ خطوة إلى الوراء. (يحدث النسخ من 5 'إلى 3')

- إصلاح عدم تطابق النسخ المتماثل تصحيح قاعدة غير متطابقة في خيط DNA عن طريق شق أحد العمود الفقري للحبلة ، وإفساد التسلسل مع عدم التطابق ، وإعادة التركيب من خيط DNA السليم.
^^^^
- إنزيم MutS (إنزيم) يتعرف على القواعد غير المتطابقة
- يحدد MutL الخصلة التي تحمل القاعدة غير الصحيحة
- يكسر MutH العمود الفقري حتى يتمكن إنزيم آخر يأتي بعده (نوكلياز خارجي) من إزالة النيوكليوتيدات المتتالية ، بما في ذلك القاعدة غير المتطابقة.
- ثم يملأ بوليميراز الدنا الفراغ وينضم ليجاز إلى العمود الفقري.

- إصلاح استئصال القاعدة: لتصحيح القواعد غير الطبيعية أو التالفة
في الخطوة الأولى لإصلاح استئصال القاعدة ، يتم شق قاعدة غير طبيعية أو تالفة من السكر في العمود الفقري للحمض النووي. بعد ذلك ، تتم إزالة السكر الذي لا أساس له من العمود الفقري ، تاركًا فجوة في نوكليوتيد واحد. أخيرًا ، يُدخل بوليميراز الإصلاح النيوكليوتيد الصحيح في الفجوة.
^^^^
- يأتي إنزيم (جليكوزيلات) على وجه التحديد ويزيل القاعدة بينما يترك العمود الفقري سليمًا.
- يتم إصلاح الفجوة التي تم إنشاؤها بواسطة إنزيمات أخرى

- إصلاح ختان النوسوتيد: آلية مستخدمة لإصلاح الدنا القصير الممتد الذي يحتوي على قواعد غير متطابقة أو تالفة.
-لديه آلية عمل مماثلة لإصلاح عدم التطابق ولكنه يستخدم إنزيمات مختلفة
- بدلاً من تحطيم نيوكليوتيدات حبلا DNA بواسطة النيوكليوتيدات حتى يتم إزالة عدم التطابق ، يزيل إصلاح ختان النيوكليوتيدات الجزء التالف بالكامل من الخيط مرة واحدة. يستخدم إصلاح ختان النوكليوتيدات أيضًا لإزالة النيوكليوتيدات ذات المجموعات الجانبية الضخمة ، وكذلك ثايمين الثايمين الناتج عن الضوء فوق البنفسجي.
- تتضح أهمية إصلاح الختان من خلال مرض جفاف الجلد المصطبغ (XP) ، حيث يكون إصلاح ختان النيوكليوتيدات معيبًا. الأشخاص المصابون بـ XP حساسون بشكل رائع للأشعة فوق البنفسجية في ضوء الشمس. بسبب الخلل في إصلاح استئصال النوكليوتيدات ، لا يتم تصحيح تلف الحمض النووي الناتج عن ضوء الأشعة فوق البنفسجية ، مما يؤدي إلى تراكم الطفرات في خلايا الجلد. والنتيجة هي ارتفاع معدلات الإصابة بسرطان الجلد. يجب على الأشخاص الذين يعانون من XP تقليل تعرضهم لأشعة الشمس وفي الحالات القصوى البقاء بعيدًا عن الشمس تمامًا.
^^^^^
- تضرر أكثر من قاعدة واحدة (على سبيل المثال: يمكن إضافة مجموعة كبيرة الحجم)
- إنزيم يشق العمود الفقري للحمض النووي في المواقع المحيطة بالتلف.
- يزول الضرر بعد ذلك
- ثم يتم إصلاح الفجوة.


مقدمة

يتم تغيير الحمض النووي الخلوي باستمرار بواسطة عوامل داخلية وخارجية ، مما يؤدي إلى عشرات الآلاف من الآفات في خلية بشرية كل يوم (Lindahl ، 1993). يمكن تصنيف هذا الضرر إلى نوعين حسب الحجم: الحمض النووي غير الضخم والحمض النووي الضخم. تشمل آفات الحمض النووي غير الضخمة عدم تطابق القواعد ، والمواقع الأساسية ، وتعديلات القاعدة الصغيرة ، والتي يتم إصلاحها بشكل عام عن طريق إصلاح عدم التطابق (MMR) ، وإصلاح الختان الأساسي (BER) ، وإصلاح شق النوكليوتيدات (NIR) ، وإصلاح الانعكاس المباشر (DRR) ، و translesion DNA synthesis (TLS) (Gros et al.، 2004 Fortini and Dogliotti، 2007 Sharma et al.، 2013 Yi and He، 2013 Ignatov et al.، 2017). تشمل آفات الحمض النووي الضخمة ، من بين أنواع أخرى من الضرر: الفواصل المزدوجة الخيطية ، والروابط المتقاطعة لبروتين الحمض النووي (DPCs) ، والروابط المتقاطعة للحمض النووي داخل الجديلة وفيما بينها. يتطلب التعقيد الهيكلي لبعض آفات الحمض النووي الضخمة استخدام العديد من مسارات إصلاح الحمض النووي التي تعمل بطريقة منسقة ، بما في ذلك إعادة التركيب المتماثل (HR) ، والانضمام غير المتماثل للحمض النووي (NHEJ) ، وإصلاح ختان النوكليوتيدات (NER) ، و TLS و BER نظام إشارات فقر الدم فانكوني (FA) وآلات تحليل البروتين المعقدة (Ishchenko et al.، 2006 Ho and Sch & # x00E4rer، 2010 Duxin et al.، 2014 Tretyakova et al.، 2015 Martin et al.، 2017). تتسبب آفات الحمض النووي غير الضخمة في اضطرابات الحمض النووي المحدودة والمحلية ، في حين تسبب الآفات الضخمة تشوهات كبيرة في البنية الحلزونية الشاملة للحمض النووي (Ide et al. ، 2011). تتشكل الروابط المتقاطعة للبروتين الدنا (DPCs) عندما يرتبط البروتين تساهميًا بالحمض النووي (تريتياكوفا وآخرون ، 2015). يصعب إصلاحها بسبب طابعها الضخم للغاية مقارنة بآفات الحمض النووي المعروفة الضخمة المشوهة للحلزون ، مثل ثنائيات بيريميدين المستحثة بالأشعة فوق البنفسجية. يمكن إنشاء هذه المقاربات الضخمة جدًا عن طريق تعرض الخلايا لعوامل الربط التبادلي الداخلية والخارجية (Stingele et al. ، 2017 Zhang et al. ، 2020). يتعارض وجود البروتين المرتبط تساهميًا بالحمض النووي بشدة مع تكرار الحمض النووي والنسخ والإصلاح وإعادة تشكيل الكروماتين (Kuo et al. ، 2007 Klages-Mundt and Li ، 2017 Yudkina et al. ، 2018 Ji et al. ، 2019). يمكن تصنيف DPCs إلى خمسة أنواع ، وفقًا لطبيعة الرابط التساهمي في مركب بروتين الحمض النووي ووجود فواصل حبلا DNA (Ide et al. ، 2015 ، 2018 Nakano et al. ، 2017). يتكون النوع الأول ، وهو النوع الأكثر شيوعًا من DPC ، عندما ترتبط البروتينات تساهميًا بقاعدة نيتروجينية في الحمض النووي غير المنقطع. تحدث الروابط المتقاطعة من النوع 2-4 عندما تكون إنزيمات شق الحمض النووي محاصرة في وسيط تساهمية مع حبلا DNA (Ide et al.، 2015، 2018 Nakano et al.، 2017). يتشكل النوع 2 عندما ترتبط جليكوزيلات الحمض النووي ثنائية الوظائف وإنزيمات الإصلاح التي تحتوي على & # x03B2-نشاط لياز مثل بوليميريز الحمض النووي & # x03B2 و Parp1 ترتبط بشكل لا رجعة فيه بموقع apurinic / apyrimidinic (AP) المشقوق (Ide et al. ، 2015 ، 2018 ناكانو وآخرون ، 2017). يتم إنشاء النوع 3 أثناء الانقسام الفاشل لشريط الحمض النووي بواسطة topoisomerase 1 (Top1) وتشكيل رابطة التيروزينيل التساهمية & # x2013phosphodiester بين البروتين وشريحة فوسفات الحمض النووي 3 & # x2032 من SSB (Ide et al.، 2015، 2018 Nakano et آل ، 2017). يولد الإجراء المجهض لـ topoisomerase 2 (Top2) النوع 4 DPC ، حيث يرتبط التيروزين بالفوسفات الطرفي 5 & # x2032 لفواصل الشرائط المزدوجة (DSB) (Ide et al.، 2015، 2018 Nakano et al.، 2017 ). في الآونة الأخيرة ، ظهر نوع جديد من DPC بعد اكتشاف HMCES ، وهو بروتين رابط 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) يمكنه التعرف على المواقع اللاأساسية في الحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل (ssDNA) وتشكيل ارتباط متشابك ssDNA-HMCES لمنع التوليف المعرض للخطأ. بعد الآفة (Mohni et al. ، 2019). نظرًا للاختلافات في الهيكل والتكوين بين هذه المجموعات الخمس ، تتم معالجة كل نوع من أنواع DPC بواسطة آلية إصلاح متميزة. يبدو من الصعب إزالة DPC من النوع 1 الضخم جدًا في مسارات إصلاح استئصال الحمض النووي الخطي الكنسي لأن وجود جزيء البروتين يمنع الوصول إلى الحمض النووي. ومع ذلك ، كشفت الدراسات الحديثة أن إصلاح ختان النوكليوتيدات (NER) وإعادة التركيب المتماثل (HR) يمكن أن يزيل أنواعًا معينة من DPCs بطريقة تعتمد على نوكلياز (Zhang et al. ، 2020). ومع ذلك ، لا يزال من غير الواضح ما إذا كانت مسارات الإصلاح هذه يمكنها التعامل مع أنواع أخرى من DPC. Stingele et al. اقترح (2017) أن كل مكون من DPC: DNA والبروتين والرابط التساهمي بينهما يمكن معالجته بواسطة ثلاث آليات إصلاح مختلفة. توفر ورقة بحثية حديثة أعدها K & # x00FChbacher و Duxin (2020) مراجعة شاملة حول تكوين وإصلاح DPCs. في هذه المراجعة ، نلخص المعرفة الحالية فيما يتعلق بآليات الإصلاح المتضمنة في إزالة DHCs التي تسببها عوامل سامة جينية مختلفة. يحدث الارتباط التساهمي المتصالب بالحمض النووي في كثير من الأحيان مع بروتينات ربط الحمض النووي ، مثل الهستونات وعوامل النسخ وإنزيمات استقلاب الحمض النووي بما في ذلك عوامل الإصلاح والتوبويزوميراز (Klages-Mundt and Li ، 2017). في نواة الخلية ، يتم تجميع الهستونات في أوكتامر مكونًا لب النواة مع 147 نقطة أساس من الحمض النووي ملفوفًا حوله ومرتبطًا بإحكام (لوجر وآخرون ، 1997 ، 2012). هذا الهيكل الكروماتين الأساسي يجعل الهستونات أهدافًا أساسية لعوامل ربط الحمض النووي ، مما يؤدي إلى تكوين روابط متقاطعة للحمض النووي هيستون (DHC) (Solomon and Varshavsky ، 1985). حاليًا ، بدأت آليات الإصلاح التي تتصدى لـ DHCs الناتجة عن عوامل مختلفة في الانهيار.

الروابط المتقاطعة DNA-هيستون (DHCs)

يتم حزم الحمض النووي للنيوكليوسومات في وحدات مدمجة يشار إليها بالكروموسومات ، حيث يتم توصيل الجسيمات النووية الأساسية عن طريق امتدادات من الحمض النووي الرابط يصل طوله إلى 80 نقطة أساس. يتكون جسيم النواة النواة (NCP) من نسختين كل من هيستون H2A و H2B و H3 و H4. يتراوح الوزن الجزيئي للهستونات الفردية من 11 إلى 22 KDa ، في حين أن الوزن الجزيئي لهستونات octamer في NCP هو 210 KDa (Eickbush and Moudrianakis ، 1978 Luger et al. ، 1997). يعتمد استقرار النوكليوسوم على تفاعلات بروتينية مختلفة ، والعديد من الروابط الكهروستاتيكية والهيدروجينية غير التساهمية بين الهيستونات و DNA مزدوج (Luger et al. ، 1997 ، 2012 Davey et al. ، 2002 Rohs et al. ، 2009) ). يمكن تصوير الهيكل الأساسي للكروماتين على أنه تنظيم خرز على سلسلة من النيوكليوسومات الفردية ، والتي يمكن طيها بشكل أكبر في هياكل ثانوية وثالثية مدمجة ، بمساعدة متغيرات هيستون الموجودة في بعض النيوكليوسومات والتعديلات اللاحقة للترجمة ( PTMs) الموجودة في ذيول الهيستون المضطربة (Woodcock and Dimitrov ، 2001 Luger et al. ، 2012). يعد طي الكروماتين إلى هياكل أولية وثانوية وثالثية أمرًا ضروريًا لتنظيم إمكانية وصول الحمض النووي إلى الآلات المعقدة متعددة البروتينات المشاركة في تكرار الحمض النووي ونسخه وإصلاحه. تمكّن التفاعلات غير التساهمية بين الحمض النووي والهستونات ديناميكيات الكروماتين من التبديل بين المطابقة المغلقة والمفتوحة. تضعف DHCs مرونة الكروماتين ، مما قد يؤثر لاحقًا على التفاعلات طويلة المدى في الكروماتين التي من شأنها أن تزعج بشكل غير مباشر تكرار الحمض النووي والنسخ والإصلاح داخل مجال مرتبط طوبولوجيًا (TAD) (Hinz et al. ، 2010 Todd and Lippard ، 2010 Tretyakova et al. ، 2015 Hauer and Gasser، 2017 Nakano et al.، 2017). تنتمي DHCs إلى النوع 1 ، وهو شكل غير إنزيمي من DPC ، حيث يرتبط البروتين تساهميًا بالحمض النووي غير المنقطع (Ide et al. ، 2011). تم نشر العديد من الدراسات الشاملة التي تصف آليات تكوين DHCs مؤخرًا (Ming et al. ، 2017 Shang et al. ، 2019 Yang and Greenberg ، 2019) ، ومع ذلك ، من غير المعروف ما إذا كانت توجد آليات إصلاح محددة لإزالة DHCs . في هذه المراجعة ، نركز بشكل أساسي على مسارات إصلاح DHCs ووصف تشكيلها بإيجاز.

تشكيل DHCs

تم تحديد المركب التساهمي القابل للذوبان في الماء من الحمض النووي والهستونات (H2A و H2B) لأول مرة في اختبار الارتباط المتقاطع للأشعة فوق البنفسجية (Smith ، 1966 Sperling and Sperling ، 1978). من خلال هذه النتيجة ، أصبح من الواضح أن الإشعاع فوق البنفسجي يمكن أن يحفز DHCs بالإضافة إلى ثنائيات بيريميدين المعروفة. ثم تم اكتشاف أن الألدهيدات الخارجية والداخلية يمكن أن تشكل أيضًا DHCs في الخلايا (Lam et al. ، 1985 Kuykendall and Bogdanffy ، 1992). أكثر من 10٪ من بقايا الأحماض الأمينية في الهيستونات هي ليسينات ، بينما تتفاعل الألدهيدات بشكل تفضيلي مع مجموعات & # x03B5-amino من السلاسل الجانبية ليسين مع تكوين قاعدة شيف ، والتي تتفاعل بشكل أكبر مع المجموعات الأمينية الحلقية الخارجية من الجوانين والأدينين ، وقواعد الحمض النووي السيتوزين ، مما يؤدي إلى إنشاء ارتباط الميثيلين. العديد من عوامل الربط المتبادل ، مثل الكرومات وأيونات المعادن وسيسبلاتين (رابطة الدول المستقلة-diaminedichloroplatinum-II) ، يحفز أيضًا DHCs في الخلايا (Zhitkovich and Costa ، 1992). لا تسبب مركبات البلاتين روابط متقاطعة بين الحمض النووي والحمض النووي فحسب ، بل تربط أيضًا معقدات بروتين الدنا تساهميًا. في حالة الهستونات (الشكل 1 أ) ، تتقاطع هذه المركبات مع مجموعات # x03B5-amino من الليسين وذرات N 7 من الجوانوزين (Tretyakova et al. ، 2015 Ming et al. ، 2017). ولوحظ أيضًا وجود روابط متقاطعة بين بقايا الحمض النووي والميثيونين في بنية الأشعة السينية للنيوكليوسومات المعالجة بمركبات البلاتين (Wu et al. ، 2008). يؤدي تعرض النوكليوسوم المنقى إلى عوامل ألكلة ثنائية الوظيفة (على سبيل المثال ، خردل النيتروجين) أيضًا إلى ربط الهستونات بجوانوزينات في الحمض النووي (Shang et al. ، 2019) ، ومع ذلك ، فإن هذه الأنواع من الروابط المتقاطعة في الخلايا أقل وفرة بكثير من تقاطع الحمض النووي. - روابط مع السيستين والهيستيدين للبروتينات غير الهيستون (Loeber et al. ، 2009).

شكل 1. آليات تشكيل الروابط المتقاطعة هيستون- DNA. (أ) آليات تفاعل عوامل ربط الحمض النووي. (ب) ربط مباشر للهيستونات بقواعد الحمض النووي المعدلة. (ج) موقع Abasic يتوسط عبر ربط الهستونات بالحمض النووي. NCP-NH2: ن- أمين طرفي (ليسين) من الهيستونات في نواة النواة.

يمكن أن تتفاعل الهيستونات أيضًا بشكل مباشر مع 5-formylcytosine ، وهي قاعدة DNA معدلة تحدث بشكل طبيعي ، و 8-oxoguanine ، وهو منتج رئيسي مؤكسد يتلف الحمض النووي. تتفاعل مجموعات Lysine amino مع 5-formylcytosine (الشكل 1B) ، مع تكوين قاعدة شيف قابلة للعكس (Li et al. ، 2017 Raiber et al. ، 2018). أنتج تفاعل السلاسل الجانبية لليسين مع 8-oxoguanosine بروتينًا مستقرًا مرتبطًا بالسبيرويمينوديهيدانتوين (Sp) adduct (Xu et al. ، 2008).

أخيرًا ، يتم إنتاج غالبية DHCs عن طريق تفاعل بين ليسين هيستون وشكل ألدهيد من 2 & # x2032-deoxyribose في مواقع apurinic / apyrimidinic (AP) (الشكل 1C) التي يتم تشكيلها مباشرة عند التلف أو يتم إنشاؤها أثناء استئصال التالف قواعد مسار إصلاح الختان الأساسي (Solomon and Varshavsky ، 1985 Sczepanski et al. ، 2010). غالبًا ما تخضع قاعدة شيف الناتجة لكسر الخيط & # x00DF-القضاء ، متبوعًا بعكس الارتباط المتقاطع للحمض النووي والهيستون. نظرًا لخروج هيستون دون تغيير من التفاعل ، يُشار أحيانًا إلى العملية برمتها على أنها انشقاق حبلا محفز بالهيستون في مواقع AP (Ren et al. ، 2019). تجدر الإشارة إلى أن هيستون PTMs وحالة الكروماتين يمكن أن يكون لهما تأثير كبير على تكوين DHC في المواقع الأساسية ومع قواعد الحمض النووي (Sczepanski et al. ، 2010 Bowman and Poirier ، 2015).

آليات إصلاح DHC

على الرغم من أن DPCs ، وخاصة DHCs ، غالبًا ما تحدث في الخلايا وتمثل تهديدًا مستمرًا لاستقرار الجينوم ، فمن المفترض أنه ، باستثناء فوسفوديستراز الحمض النووي التيروزيل ، لا يوجد مسار متخصص لإصلاح الحمض النووي مخصص لمواجهة هذه التحديات الضخمة. بدلاً من ذلك ، تستخدم الخلية عدة آليات متميزة لإصلاح الحمض النووي وتدهور البروتين لاستهداف مكونات الحمض النووي والبروتين / هيستون المتشابكة في DPC / DHC معين. يمكن اكتشاف البروتين المرتبط تساهميًا وتحطيمه إلى ببتيد صغير بواسطة آلية تحلل البروتين الخلوية ، مثل البروتياز المتخصص SPRTN / Wss1 و Ddi1 و GCNA1 ، أو بالبروتيازوم ، وهو مركب بروتياز متعدد الوحدات يعتمد على ATP ، في حين أن الحمض النووي التالف تم اكتشاف المكون وإصلاحه في مسارات NER و BER و HR و NHEJ و FA.

التحلل البروتيني المعتمد على البروتيازوم للهيستونات مرتبط بالحمض النووي

التحلل البروتيني بوساطة البروتياز هو المسار الرئيسي لتحلل البروتينات التالفة في الخلية. يتكون البروتيازوم 26S من جسيم أسطواني 20S وجسيم واحد أو اثنين من الجسيمات التنظيمية 19S (Ciechanover ، 1998 Lecker et al. ، 2006). على الرغم من أن نواة 20S يمكن أن ترتبط بجزيئات تنظيمية مختلفة ، إلا أن جسيم 19S فقط يمنح القدرة على تحلل البروتينات المنتشرة في كل مكان (Coux et al. ، 1996 Adams ، 2004 Stadtmueller and Hill ، 2011). بالنظر إلى الدور الحيوي للبروتوزوم في تحلل البروتين التالف ، فإن مشاركة البروتيازوم ويوبيكويتين في التحلل البروتيني لـ DHCs أو DPCs لا يزال موضوعًا للنقاش. تثبيط البروتيازوم في Xenopus لم تستقر مستخلصات البيض في DPCs (ناكانو وآخرون ، 2007 دوكسين وآخرون ، 2014). ومع ذلك ، تشير العديد من الدراسات حول إصلاح DPCs في خلايا الثدييات إلى مشاركة البروتياز (Adams، 2004 Baker et al.، 2007 Zecevic et al.، 2010 Larsen et al.، 2019). ظهرت مشاركة البروتيازوم في إزالة DHC لأول مرة في بحث Quievryn و Zhitkovich (2000) ، اللذين اكتشفوا أن مثبطات البروتوزوم تمنع إزالة DHCs وتحسس الخلايا البشرية لمستويات أقل من الفورمالديهايد. دراسة في Xenopus وجدت مستخلصات البيض أن DPCs موجودة في كل مكان بواسطة TRAIP E3 ubiquitin ligase وتتحلل لاحقًا بواسطة البروتيازوم (Duxin et al. ، 2014 Larsen et al. ، 2019). ومع ذلك ، أظهرت دراسة سابقة بوضوح أن DPCs لا يتم تمييزها بسلاسل بوليوبيكويتين ، ولكنها مع ذلك تخضع لتدهور البروتوزوم بواسطة آلية غير مفهومة جيدًا (ناكانو وآخرون ، 2009). يمكن للبروتوزوم 26S أن يتحلل من الهستونات النقية غير المنتشرة في كل مكان (كيسيليف وآخرون ، 2006) ، مما يزيد من احتمال تحلل البروتوزوم للهيستونات التالفة غير المنتشرة في الخلايا. أثبتت دراستان أنه أثناء إجهاد النسخ الناجم عن العوامل السامة للجينات ، تكون الهستونات مفرطة الأسيتيل ، ثم تتحلل على وجه التحديد بطريقة مستقلة عن يوبيكويتين بواسطة مركب بروتيازوم 20S مع المنشط البروتيني PA200 ، وهو جسيم تنظيمي متميز (Qian et al. ، 2013 Mandemaker et al.، 2018). على الرغم من أن هذه الدراسات قد أظهرت أن التحلل المستقل لليوبيكويتين لهستونات الأسيتيل يخفف من إجهاد النسخ المتماثل ، لا يمكن استبعاد الوظيفة الإضافية للبروتيازوم PA200-20S في إصلاح DHC. علاوة على ذلك ، تم اكتشاف PA200 في البقع النووية ، وتم اقتراح دوره في إصلاح الحمض النووي (Ustrell et al. ، 2002). وبالتالي ، يتطلب الفهم الأكثر تفصيلاً لدور البروتيازوم في إصلاح DHC مزيدًا من التحقيق.

20S proteasome عبارة عن جسيم مجوف على شكل برميل يتكون من 28 وحدة فرعية غير متطابقة مرتبة في أربع حلقات مكدسة. يتم عزل المواقع النشطة داخل تجويف داخلي مفصول عن مجمعات 19S و PA200 التنظيمية بواسطة قناة مسورة. هذه القناة 13 & # x00C5 ضيقة جدًا لدخول البروتين المطوي (L & # x00F6we et al. ، 1995 Groll et al. ، 1997). من أجل التحلل الكامل للبروتين المرتبط بالحمض النووي ، يجب أن يدخل نوكليوتيد الحمض النووي المتصالب نفسه إلى الغرفة المحللة للبروتين ، وسحب خيط الحمض النووي إلى الداخل. ومع ذلك ، قد يكون مكون الحمض النووي الخاص بـ DPC ضخمًا جدًا لدخول القناة. لذلك ، يمكن للبروتيازوم إزالة جزء فقط من البروتين المتصالب ، وتحويل DHC إلى رابط متقاطع أصغر من الحمض النووي الببتيد. بدلاً من ذلك ، يمكن أن يشارك البروتياز التقليدي ، حيث يوجد موقع نشط في شق على سطح الإنزيم ، في استئصال الجزء الأكبر من سلسلة البولي ببتيد غير المتصالب ، والتي يمكن أن تتحلل بعد ذلك بواسطة أي من هذه البروتياز وبواسطة البروتياز.


شكر وتقدير

نشكر S. Polo و P. Huertas للحصول على المشورة ، و K. Dry لمساعدة الخبراء في النص والأرقام. تم تصنيف S.P.J. يتم دعم المختبر من خلال المنح المقدمة من مؤسسة أبحاث السرطان في المملكة المتحدة ، والمفوضية الأوروبية (مشاريع GENICA وإصلاح الحمض النووي) ، و Wellcome Trust ومجلس أبحاث التكنولوجيا الحيوية والعلوم البيولوجية. يتم دعم مختبر JB من خلال المنح المقدمة من الجمعية الدنماركية للسرطان والمؤسسة الوطنية للبحوث الدنماركية والمفوضية الأوروبية (مشاريع GENICA و Active p53 و TRIREME وإصلاح الحمض النووي).

الكاتب الاشتراكات S.P.J. و JB تصور وكتب جميع جوانب هذه المقالة.


مراجعة المادة

  • قسم بيولوجيا الإشعاع الجزيئي ، قسم علاج الأورام بالإشعاع ، المركز الطبي الجنوبي الغربي في يوتا ، دالاس ، تكساس ، الولايات المتحدة

هيليكازات RecQ DNA هي عائلة بروتينية محفوظة في البكتيريا والفطريات والنباتات والحيوانات. تلعب هذه الهليكازات أدوارًا مهمة في وظائف خلوية متعددة ، بما في ذلك تكرار الحمض النووي والنسخ وإصلاح الحمض النووي وصيانة التيلومير. لدى البشر خمس طائرات RecQ: RECQL1 وبروتين متلازمة بلوم (BLM) ومتلازمة ويرنر هيليكس (WRN) و RECQL4 و RECQL5. تسبب العيوب في BLM و WRN اضطرابات جسمية: متلازمة بلوم (BS) ومتلازمة ويرنر (WS) ، على التوالي. ترتبط الطفرات في RECQL4 بثلاثة اضطرابات وراثية ، متلازمة روثموند و # x2013Thomson (RTS) ، ومتلازمة Baller & # x2013Gerold (BGS) ، ومتلازمة RAPADILINO. Although no genetic disorders have been reported due to loss of RECQL1 or RECQL5, dysfunction of either gene is associated with tumorigenesis. Multiple genetically independent pathways have evolved that mediate the repair of DNA double-strand break (DSB), and RecQ helicases play pivotal roles in each of them. The importance of DSB repair is supported by the observations that defective DSB repair can cause chromosomal aberrations, genomic instability, senescence, or cell death, which ultimately can lead to premature aging, neurodegeneration, or tumorigenesis. In this review, we will introduce the human RecQ helicase family, describe in detail their roles in DSB repair, and provide relevance between the dysfunction of RecQ helicases and human diseases.


Advances in Radiation Biology

M.N. Cornforth , J.S. Bedford , in Advances in Radiation Biology , 1993

Publisher Summary

This chapter discusses the early development of ionizing radiation damage in chromosomes. Ionizing radiations are among the most potent of clastogens , apart from being mutagenic and oncogenic. Gross structural changes—such as translocations, inversions, and deletions—appear to constitute the principal genetic alterations that underlie the malignant transformation of cells, whereas dominantly acting point mutations involving single base changes in oncogenes appear to be of minor importance by comparison. Ionizing radiation is extremely inefficient in producing point mutations involving single base changes in mammalian cells. Ionizing radiations produce a wide spectrum of lesions, many of which are known to be produced in numbers exceeding aberration yields. In addition to permanent heritable changes in surviving germ cells leading to harmful effects in future generations, ionizing radiations can lead to cell reproductive death. This cell-killing process also appears to result largely from the production of certain kinds of gross chromosomal aberrations. There have been successful attempts to sequence stretches of DNA that span break points of spontaneous chromosomal exchange-type aberrations and large intragenic deletions within endogenous genes.


The right way to repair DNA

Salk scientists discover that CYREN microprotein helps cells choose best path to repair genes and avoid cancer. Left: Chromosomes (red) with telomeres (green) that are undisturbed remain pristine and separate. Right: when CYREN is absent, chromosomes that have been disturbed to artificially trigger NHEJ show fusions that are characteristic of repair after DNA is copied. Credit: Salk Institute

Is it better to do a task quickly and make mistakes, or to do it slowly but perfectly? When it comes to deciding how to fix breaks in DNA, cells face the same choice between two major repair pathways. The decision matters, because the wrong choice could cause even more DNA damage and lead to cancer.

Salk Institute scientists found that a tiny protein called CYREN helps cells choose the right pathway at the right time, clarifying a longstanding mystery about DNA repair and offering researchers a powerful tool that could guide better treatments for cancer. The work appears in طبيعة سجية on September 20, 2017.

"Elucidating DNA repair pathways is critical to understanding how they can sometimes be toxic," says Jan Karlseder, a professor in Salk's Molecular and Cell Biology Laboratory and the senior author of the new paper. "Our discovery of CYREN's function not only adds to our body of knowledge, it gives us a new tool with which to potentially fight cancer."

Double-strand breaks, the most serious injuries that happen to DNA, can be repaired by one of two pathways: a fast but error-prone process known as NHEJ (non-homologous end joining) and a slower, error-free pathway known as HR (homologous recombination). The faster pathway efficiently rejoins broken strands, but in the case of multiple breaks it can join the wrong two ends together, making things much worse for a cell. The slower pathway is error-free because it relies on having an undamaged DNA sequence to guide the repair, but this means it can only operate after a cell has copied its genetic information in order to divide. Given that, the fast pathway operates exclusively before DNA is copied, though its machinery is so efficient and prolific that scientists have wondered why it doesn't outcompete the slower, more-exact pathway after copying, too. Scientists have long suspected that something must be holding the faster option back in those cases.

That something, the new work reveals, is a microprotein called CYREN, which inhibits the faster pathway when a DNA copy is available for the slower pathway to use. CYREN was discovered by another Salk scientist, Alan Saghatelian, as part of a 2015 effort to identify small proteins called "short ORF-encoded peptides" or SEPs, which are increasingly being found to have critical biological roles.

The right way to repair DNA. This cartoon illustrates the suppressive effect of CYREN on the normally faster NHEJ DNA-repair pathway, allowing the slower HR pathway a chance to get ahead. Credit: Salk Institute

"We found a lot of these peptides in our earlier study but we didn't really know if any of them were important until the Karlseder lab got involved," says Saghatelian, a professor in the Clayton Foundation Laboratories for Peptide Biology and one of the paper's coauthors. "Thanks to this impressive new work, we now know there are some really important molecules among the hundreds we're discovering."

Saghatelian's research had suggested that CYREN was interacting with the master switch of the faster pathway, a protein called Ku. To determine the exact nature of the interaction, Karlseder's team worked with a region of the genome where repair is normally suppressed to prevent dangerous fusions: the ends of chromosomes, called telomeres. Researchers can artificially disturb telomeres to activate the fast pathway, making it a model system to test CYREN's effects.

"Telomeres offer a great research tool because they really need to repress repair, but there are ways to activate the repair machinery so that you can study it in a very controlled way," says Nausica Arnoult, a Salk research associate and first author of the paper. The Salk team did so, and found that with CYREN present, no repairs occurred after the cell copies its DNA, suggesting that it does flip off the master switch, Ku. Without CYREN around, Ku's fast pathway was active both before DNA was copied and after.

Because the telomere experiments did not tell the team much about the competition between the fast and slow pathways, Arnoult next used molecular tools to compare repair in living cells with and without CYREN. She combined the DNA scissors known as CRISPR with genes for fluorescent proteins that would be triggered by repair so that she could cut DNA in specific ways and see from the ensuing color which pathway had made the repair. She also analyzed all the protein interactions that took place.

These experiments revealed that CYREN directly attaches to Ku to inhibit the fast pathway both depending on timing (before or after DNA copying) and the type of DNA break (smooth versus jagged, for example). Its activity can even tune the ratio of fast to slow repairs.

"Our study shows that CYREN is an important regulator of DNA-repair-pathway choice," says Karlseder, who holds the Donald and Darlene Shiley Chair at Salk. "The work also points to the exciting possibility of potentially introducing DNA damage in cancer cells and using CYREN to prevent them from making repairs."


West Point biochemist warns about threat of bioweapons

In this episode of Intelligence Matters, host Michael Morell speaks with Dr. Ken Wickiser, a biochemist and associate dean of research at U.S. Military Academy West Point, about his piece "Engineered Pathogens and Unnatural Biological Weapons: The Future Threat of Synthetic Biology." Wickiser describes the growing influence of synthetic biology and what can happen if it gets in the wrong hands.

يسلط الضوء

ما هي البيولوجيا التركيبية؟ "Synthetic biology is the process of engineering natural genetic systems. In terms of engineering: taking what nature has provided us and optimizing it, co-opting it, repurposing it, making it more efficient, and making it more cost effective. In large part for good purposes, to make new and novel biomaterials, to make new and novel pharmaceuticals. To make existing pharmaceuticals cheaper, more abundant, more available for the population."

Nefarious use of synthetic biology: "What we're concerned about is the production of either small molecules or gene products that could be used in a way that is a negative influence on someone's health. Whatever you can consider in your mind, is probably capable of being produced in the synthetic biology."

Next generation needs to learn about synthetic biology: "Whether we're talking about budding scientists or people who are interested in ethics or people who are interested in economics. We need people to understand the benefits of synthetic biology and the potential threats. That way we can develop common sense policies that will allow the science to progress, will allow us to benefit from the development of the science, but at the same time will assure our safety."

"Intelligence Matters": Ken Wickiser transcript

Producer: Paulina Smolinksi

"Intelligence Matters" Podcast With Michael Morell

دكتور. KEN WICKISER INTELLIGENCE MATTERS TRANSCRIPT

MICHAEL MORELL: This discussion will be part of a series of episodes that we're doing between now and the inauguration on the key national security issues facing the United States. I'll let our listeners know this one is going to be a bit scary. You and your colleagues wrote a paper published in August that caught my attention. It was published by the Combating Terrorism Center at West Point, which is one of the best-known counterterrorism think tanks in the world. Your piece was titled "Engineered Pathogens and Unnatural Biological Weapons: The Future Threat of Synthetic Biology" which is what I really want to dig into today with you. But before we do that, I wanted to give you an opportunity to mention the other authors of the piece because there were quite a few.

دكتور. KEN WICKISER: Absolutely. Thank you for allowing me that opportunity. This was a team effort. One of the great things about West Point is that we have a really great combination of both active duty military and the government civilian faculty and staff here in our effort to help develop the next generation of army leaders. My colleagues on this particular paper include Colonel John Burpo, who has a Ph.D. from MIT in bioengineering, Lieutenant Colonel Michael Washington, who has a Ph.D. in microbiology from the Uniformed Services University of Health Sciences, Dr. Kevin O'Donovan, who is a Title 10 government civilian and the deputy director of the Life Science Program here at West Point, his Ph.D. is in neuroscience from Johns Hopkins University. We also have a returning active military officer, Lieutenant Colonel, who is now getting his Ph.D. at at Boston University. We have a group of people who are not only subject matter experts, but they are people who have operational experience. They have operational experience in the military, or in both government and in the civilian academic labs across the United States. We took a holistic view of this in the context of what do our cadets really need to know about this technology? The point here was not to be scared, but to be prepared and understand from a holistic standpoint what synthetic biology is, where it could go, and what we need to be concerned about.

MICHAEL MORELL: What is synthetic biology?

دكتور. KEN WICKISER: That's a great question, because it depends on who you ask. In the broadest interpretation, synthetic biology is the process of engineering natural genetic systems. In terms of engineering: taking what nature has provided us and optimizing it, co-opting it, repurposing it, making it more efficient, and making it more cost effective. In large part for good purposes, to make new and novel biomaterials, to make new and novel pharmaceuticals. To make existing pharmaceuticals cheaper, more abundant, more available for the population. Synthetic biology has been around for a long time, but it's really increased in its prevalence and its significance since the genomic age. Its prevalence increased since we really understood the nature of DNA and have been able to catalogue the structure of DNA and how genomes in particular are organized: the controlling components, the parts that make proteins, the parts that serve as stoplights or speed bumps along the way.

MICHAEL MORELL: Can you explain the concept of modularity and why that's important to synthetic biology?

دكتور. KEN WICKISER: I think most people understand if you take a look at an electronic circuit, there's parts that go into the electronic circuit and you have a resistor here that gets set aside, a capacitor over there. You can construct very complicated machinery with some very simplistic parts. If you take that viewpoint of how perhaps a genome is organized, you have this long strand of DNA and embedded within that DNA are the instructions for certain proteins. Some proteins are going to be turned on all the time. Some proteins are going to be turned on only some of the time. Sometimes there's an age or development aspect to it. In terms of modularity, what we're focused on is being able to lift that one segment of DNA out of one particular organism and place it in a completely different novel context, in a completely different organism, and yet have it work. Perhaps not in the way that nature intended, but in the way that you, as the bioengineer, intends for it to function. That's really what we talk about when we use the term modularity is that drag and drop, cut and paste, lift and shift, mentality when you think about engineering DNA and engineering genomes.

MICHAEL MORELL: Can you talk about the good uses that synthetic biology can do for mankind? Your piece was about a potentially bad use. I'd love for you to talk about that from the 50,000 foot level.

دكتور. KEN WICKISER: Synthetic biology is a tool just like a hammer. You can use it for good or you can use it for nefarious purpose. We are typically in academia focused on the good. That's the whole point of going through a PhD program, learning about how to better mankind in terms of novel materials, novel pharmaceuticals, and understanding the basic machinery of biology so that we can take care of ourselves just that much better.

MICHAEL MORELL: We can cure diseases that we've never been able to cure before.

دكتور. KEN WICKISER: Absolutely. We're certainly on the cusp of that. If you take a look at it from the other vantage point, if you understand biology, if you understand this network of small molecules and genes and environmental influences, then you can disrupt that. Not only for good, but perhaps for bad. What we're trying to do here is just to call attention to this tool and to bring this to the attention of developing leaders, saying 'look, you have to take this into account when developing plans for security and for operations.' We have to understand what might happen out there if technology falls into the into the wrong hands, the hands of someone who is trying to do harm to others. In our case, we're concerned about Americans. We're concerned about the American military in particular. We in no way, shape, or form want to disparage or undermine the support that synthetic biology has in the community. We value it. We use it every day in our labs here at West Point. It's used across the world, in labs, in industry, academia, government labs, all the way down even to high school labs. But I do think that we need to understand that the bar has been lowered in terms of being able to produce something that other people haven't thought of. If that something happens to be perhaps negative in nature. We need to be prepared for that.

MICHAEL MORELL: What is the risk here? What is the threat?

دكتور. KEN WICKISER: What we're concerned about is the production of either small molecules or gene products that could be used in a way that is a negative influence on someone's health. Whatever you can consider in your mind, is probably capable of being produced out there in the synthetic biology.

MICHAEL MORELL: So we are talking about a bioweapon here, right?

دكتور. KEN WICKISER: We are talking about bioweapons. Whether you talk about a material or something that happens to be infectious, that's just different levels of threat.

MICHAEL MORELL: Can you talk about the concept of binary weapons and why that's important in the context of what we're talking about here?

دكتور. KEN WICKISER: If you were able to take two different chemicals, each of them inert, very stable. But then when you mix them, they become robust, explosive, that would be considered a binary weapon. So you need both components in order to have that weapon. So biology could be the same thing. If I have protein X, that happens to be a poison, I could cut that in half in two different segments and have a gene product in one organism, and the gene product in another. I could produce a considerable amount of each one of those subcomponents to the poison and then mix these two together and develop that active poison for nefarious purposes. Likewise, if these two gene products happen to be housed in prokaryotes and bacteria, I could mix these together. Under favorable conditions, they could exchange genetic material and the product could be one single organism that is producing an intact product. So you have both of those halves that can come together and form that particular poison. When we talk about a binary weapon, most people think about it in terms of chemical or mechanical means. But the analogy holds when you talk about biological macromolecules.

MICHAEL MORELL: What I'm thinking is this is the biological equivalent of al-Qaida trying to bring on chemicals to those 10 to 15 aircraft flying from Heathrow. Chemicals that were inert separate, but when you put them on the plane and mix them together, all of a sudden, they became an explosive.

دكتور. KEN WICKISER: Unfortunately, science goes hand in hand with creativity and curiosity. It really comes down to someone with nefarious purpose, having creativity mixed in with some scientific capability that allows them to produce something that is going to be of significant concern.

MICHAEL MORELL: What's the range of risk here from the least dangerous bioweapon to the most dangerous bioweapon in terms of what synthetic biology could produce?

دكتور. KEN WICKISER: Part of this is fear. And then part of it is the physical infectivity that a substance might have. Or an organism might have an entity. I use those terms very broadly because it's arguable whether one calls a virus على قيد الحياة. Because it doesn't in and of itself have the machinery required for self replication, it requires the host to hijack and and replicate itself. But ignoring that distinction is something that is going to have that very careful balance in between lethality and infectivity across a particular population. If something was so incredibly deadly that it's going to hamstring itself in terms of being able to pass that on to the next host, then that's going to tend to die out faster than something that has that careful balance. That something is likely a virus. It could be an engineered virus. It can be microbes, living systems, small individual cells that produce toxins.

Whether you think about something that's endemic across humankind, like E. coli, without having that one genetic switch that'll change it into something that's virulent. But you can think about something that is genetically engineered like a virus. Knowing that we use this for good, it can also be used for bad. For example, in 2011 Dutch scientists wanted to create a virus and see what mutations were required in order to make it more aerosolized. They did this and they were frightened that it took so few mutations in order to make something that was very dangerous into something that was incredibly deadly. There was a large public outcry. People came back and said, 'you should not even publish this.' There was a lot of ethical considerations that went into the sharing of those data and the publication of that particular work. They used natural selection in the context of the lab in order to generate those five mutations. Now it's known that the information can be used by people to engineer a particular protein in the context of DNA and have that produced by any DNA synthesis companies. Some of them are American, but many of them are outside the continental United States. It's that information that allows us and empowers someone with nefarious purpose to use synthetic biology for their ends.

MICHAEL MORELL: In the paper, you and your co-authors give some examples of where this has already been done. Can you describe very briefly a couple of those? The first was work done in 2002 by scientists at the State University of New York at Stony Brook on the polio virus.

دكتور. KEN WICKISER: It's always been a goal for someone to build a genome from scratch. The question is, using state of the art chemical synthesis tools, can you construct something that is functional? That is really where that effort was born. It spawned several other efforts that eventually led up to the idea could you actually create a living cell from scratch?

It goes hand in hand with what do you actually need for a living system. What can you throw away? If you take out of a car every bit that you don't need for it to run. Seat warmers etc. That's what has been a major goal in synthetic biology efforts across the globe, because once you have that minimal structure, that biological scaffold, you can then add in whatever you want and and it's less of a load. For example, if you and I are going on a run. If you add a large backpack onto yourself, it's going to be much more exerting. The same thing happens when you engineer a small microbe. You increase the metabolic load and slow it down. But if you can get rid of all the non essential requirements, then when you actually load it up with that new system, then you will have a biological system that is not going to be loaded down as much of a natural one.

That's been the progression, going from the construct of a virus to the construct of an actual living cell. Another piece that we really wanted to bring up here is, on the good part. We have these amazing contests, international genetically engineered machine contests born out of MIT. You have this incredibly rich international group of young men and women. Primarily it was college students. Recently, they've lowered the bar of entry because so many young high school students are really interested in this work. In 2019 there was three hundred and sixty teams from across the world. About 50 percent of them came from Asia. About 20 percent were from North America. There was about one quarter of the teams that were from the high school level. About 65 percent of them are from Asia, predominantly they're from China. The great thing about synthetic biology is that there are no borders. Then again, that applies to the context of threat, to the context of force protection amongst the American population and the DOD. There might be something here of concern.

MICHAEL MORELL: Then no borders become a bad thing. It's this interesting dichotomy. You just raised an issue that caught my attention. When people used to ask me about this threat, I would say, 'yes, terrorist groups have shown interest, but doing this is very, very difficult.' One of the things that really jumped out to me in your article is that this is getting easier and easier.

Let me read a few sentences. 'The sophistication of high school and undergraduate student research projects has matched that of many highly trained personnel who are working in advanced laboratories less than a decade ago.' The second is 'these synthetic bio tools are lowering the education, training, cost, time and equipment threshold required to modify and employ pathogenic organisms as biologic weapons.'

Talk about the extent to which this is getting easier and obviously why that's important.

دكتور. KEN WICKISER: Let's take a look at the iGEM organization. I'm a huge fan. I participated in it for many years. They have a biosafety and security committee. They're very much attuned to the potential misuse. Outside of the context of a competition, going into perhaps non-state actors who have ill intent toward the United States, you say 'if high school students can do this across Asia, across Europe, across the United States, then take that threat scenario and apply that to something chemical or nuclear. You're not going to have high school students making the next generation nuclear weapon. But one of the amazing things about science is we're all about sharing information. We're all about publishing, we're all about planting your flag and generating bragging rights about these great advances that we make. But that also provides a great recipe for that next person.

That next person can certainly be a young individual that does not have decades of experience in laboratories. He or she can essentially do garage level science that in the past would have taken a lot of people a long time in sophisticated labs. Going back to our polio example, how long did that take these experts in the Stony Brook lab? How many years was that? How many millions of dollars was spent on that? Whereas when you talk about a young team of students, this is on the thousands of dollars scale.

If they needed ten thousand dollars worth of materials, that's highly attainable for a lot of people. These materials then really comes down to synthetic DNA, DNA that has been produced by chemically synthesizing them in a facility. These facilities are all across the world. They're all across the United States. They're all across Europe, but they're all across Asia as well. Honestly, when I have a gene synthesized or when I have a plasmid, which is a small circular chunk of DNA that has many different genes embedded within it, if I have that synthesized and I want to pay someone three thousand dollars to do that, it will probably be subcontract out to China. That's where the materials are coming from. When you talk about the sharing of materials, there's high levels of access for anybody throughout the world. This is not just something that is available to American students or postdocs or professors in American universities. This is available worldwide.

There are no boundaries when it comes to information. There are no boundaries when it comes to science, and there's certainly no boundaries when it comes to scientific expertise and interest. There is such an enormous level of interest coming out of Asia, particularly China. It's something to consider when thinking about where synthetic biology could go, not only for the good, but potentially for the bad.

MICHAEL MORELL: In your article, you and your co-authors push back on those who say that making bioweapons is much too difficult for a non-professional. You use two metaphors. Can you share those?

دكتور. KEN WICKISER: Twenty years ago, I would have said, 'yes, they're absolutely right, the bar is way too high.' 10 years ago, I would have said, 'yeah, sure, it's a little bit lower, but that's going to be a tough ask.' But today, it's just really not. If you go back to some of the examples we used in the paper, our home PC example. When I was young, I vividly remember my very first Apple computer. Seeing that at a college. It was almost like a museum where I was looking behind the glass, not allowed to touch it. Today look where we have gone. Along with Moore's Law. This has just exploded in terms of technology where people now have the ability to customize their entire home and have that controlled by a cell phone.

You have Moore's Law that has been allowing us via the increased computational power to do so many amazing things that we just couldn't have dreamed of 20, 30 years ago. Biology and our understanding of biology has followed a similar path. There's been an absolute explosion in our understanding of what a gene is, how to control a gene, how to get these genes from one context and put them into another.

It comes down to being able to design this online. You can do genetic engineering right from your phone. You can purchase DNA on the spot. At the end of the purchasing process, there's a little form to sign that says 'is this a poison, yes or no? Can this impact human health? Yes or no?' It really comes down to you as the purchaser being honest. We have this incredible capability in biology. Yet the controls haven't caught up to that yet, whereas perhaps controls in electronic means have. That's because to the regular nonscientist the capabilities and limitations of electronics are a lot more understandable compared to that of biology.

MICHAEL MORELL: In terms of your concerns about this, it sounds like it's primarily non-state actors, terrorist groups rather than states. Is that fair to say?

دكتور. KEN WICKISER: That's absolutely fair to say. At the end of the day, both Russia and China have incredibly robust scientific programs. The United States has taken steps after the fall of the Soviet Union to provide scientists from the former Soviet Union opportunities to engage in science for the benefit of mankind by setting up laboratories in countries like Georgia. But our concern here is the lowering of that bar and allowing for the ability for an untrained group of people to develop something that might negatively impact human health.

MICHAEL MORELL: Let me read two more sentences from your article. The first sentence is, 'as molecular engineering techniques of the synthetic biologists become more robust and widespread, the probability of encountering one or more of these threats is approaching certainty.' The second is 'the change to the threat landscape created by these techniques is rivaled only by the development of the atomic bomb.' Those are two pretty significant sentences, so what do we do about this? What's the right policy response? How do we defend ourselves?

دكتور. KEN WICKISER: I go back to say the iGEM field. They are very much interested in biosecurity and infusing the thought of biosecurity in these young budding scientists. Whether they be Americans or people from foreign countries. But we also have in the United States several organizations dedicated to biosecurity, including the Defense Threat Reduction Agency and their chemical biological defense division. The entire research there is a lead by Dr. Ronald Han, and he has an amazing portfolio. They are very dedicated to addressing this field. There's BARTA. There's DARPA. DARPA has several different programs that are addressing the potential threat of synthetic biology, whether it be a normal genetic engineering or the whole CRISPR effort. That has really exploded the field over the past several years. So we do have organizations, whether they be private, non-profits, or governmental organizations that are addressing this. I think it's probably incumbent upon us to weave this into the educational experience of young people. Whether we're talking about budding scientists or people who are interested in ethics or people who are interested in economics. We need people to understand the benefits of synthetic biology and the potential threats. That way we can develop common sense policies that will allow the science to progress, will allow us to benefit from the development of the science, but at the same time assure our safety.

MICHAEL MORELL: Thank you so much for joining us. Thank you for your service to our country, which continues to this very day. And in educating the young women and young men who will lead the United States Army in the future.


Positions within DNA that lack a DNA base also known as apurinic or apyrimidinic (AP) sites. They can occur spontaneously or through base excision by DNA glycosylases.

Intrastrand and interstrand DNA crosslinks

Chemical crosslinking of DNA can occur between positions on the same DNA strand (intrastrand) or between opposing strands (interstrand).

Poly(ADP-ribose) polymerase 1

(PARP1). A member of a family of enzymes that catalyse the formation of poly(ADP-ribose) chains, thereby regulating various cellular processes, most notably DNA repair.

Any molecule that inhibits an enzyme by mimicking a substrate.

(HR). A process resulting in the exchange of identical or highly similar DNA sequences between two DNA molecules it is involved in meiosis, DNA repair and DNA replication.

The DNA polymerase required for gap filling during base excision repair and DNA single-strand break repair.

A medical condition that is characterized by a lack of coordination of voluntary muscle movements it is often caused by inherited or acquired cerebellum diseases (cerebellar ataxia).

The absence of neurological reflexes.

Small dilated blood vessels in the outer layer of the skin or in mucosae. Usually a benign condition, which can be associated with serious genetic or acquired diseases.

A neurological motor disorder that is caused by partial brain damage affected individuals experience difficulty with motor planning to carry out motor tasks or movements.

A motor speech disorder characterized by poor articulation of phonemes. It is caused by injuries to the motor component of the motor–speech system of the brain.

A neurological condition in which affected individuals present with a smaller than normal head owing to defective brain development.

A medical condition that is characterized by underdevelopment of the jaw.

A protein complex that degrades unneeded or damaged proteins. Proteins are commonly marked for degradation by modification with polyubiquitin chains.

A post-translational modification, also known as polyADP-ribosylation, by which polymers of ADP-ribose are attached to substrate proteins by poly(ADP-ribose) polymerases (PARPs).

X-ray repair cross-complementing protein 1

(XRCC1). A molecular scaffold protein that orchestrates the repair of DNA single-strand breaks by recruiting and stabilizing multiple other repair factors.

Ataxia telangiectasia mutated

(ATM). A protein kinase best known for its function in signalling the presence of DNA double-strand breaks, thereby activating a highly sophisticated cellular response.

DNA-dependent protein kinase

(DNA-PK). Heterotrimeric DNA-dependent kinase that comprises KU70, KU80 and the catalytic subunit DNA-PKcs best known for its central function in non-homologous end joining repair of DNA double-strand breaks.

If a replication fork encounters a single-strand break, the replicative helicase runs off the template strand, resulting in the formation of a highly toxic single-ended DNA double-strand break.

Non-homologous end joining

(NHEJ). The repair of DNA double-strand breaks by directly ligating two DNA ends, irrespective of DNA sequence.

A type II DNA topoisomerase that is required for the generation of DNA double-strand breaks during meiosis, which is crucial for genetic recombination.

Synthetic lethality screen

A genetic screening method, which aims to reveal genes that when knocked out cause lethality in combination with a knockout of a gene of interest.

A cellular signalling mechanism that pauses the cell cycle in response to the presence of DNA damage, thereby providing enough time to ensure that repair can occur before the next cell division.

A diverse class of enzymes that are involved in various cellular processes. AAA-ATPases use energy obtained from ATP hydrolysis to generate mechanical forces through conformational changes.

Mutations that cause a partial loss of function for example, by reduced gene expression or decreased protein stability. Hypomorphic mutations mostly display less severe phenotypes than a complete gene loss.

The most common type of liver cancer often caused by hepatitis virus (B or C) and substances such as aflatoxin and ethanol.

Translesion synthesis polymerases

DNA polymerases with the ability to synthesize past DNA lesions due to a flexible active site they often display low fidelity and thus tend to incorporate mutations.

إصلاح الختان النوكليوتيدات

(NER). A DNA repair pathway that repairs primarily bulky adducts, such as those induced by ultraviolet (UV) light. Repair is achieved by excision of a short stretch of nucleotides that contains the DNA lesion.

A recombination process that allows the replication of damaged DNA strands by using the newly replicated sister strand as a template for DNA synthesis.

A conserved DNA repair pathway that detects and repairs base–base mismatches and insertion–deletion mispairs, which can be generated by mistakes during replication.


شاهد الفيديو: الحمض النووي (أغسطس 2022).