ترمیم کروماتین توسط مولکول های یوبیکویتین چگونه است؟

کروماتین مجموعه ای ازDNA و پروتئین های موجود در هسته ی سلولی می باشد؛ که توسط مولکول های یوبیکویتین، قابل ترمیم می باشد. برای هدایت فعالیت ژن و پایداری ژنوم، هیستون ها توسط مولکول های کوچکی ترمیم می شوند. اتصال مولکول های یوبیکویتین توسط فرآیند یوبیکویتیناسیون صورت می گیرد.

کروماتین

DNA به دور پروتئین های هیستون می پیچد؛ تا یک ساختار ماکرو مولکولی به نام کروماتین را تشکیل دهد. هیستون ها برای هدایت فعالیت ژن ها و پایداری ژنوم اغلب توسط مولکول های کوچکی ترمیم می شوند.

برای مثال ترمیم یوبیکویتین در هیستون H2B، با دمین بیان ژن های فعال در ارتباط است. چگونگی ترمیم دمین ها دور از ذهن است. مشاهدات قبلی مدل ساده ای برای شکل گیری دمین های H2Bub را نشان داده است. مجموعه ی آنزیمی برای افزودن یوبیکویتین به H2B نیاز است. هنگامی که RNA پلیمراز II در طول کروماتین در حال حرکت است؛ آنزیمی کاتالیز رونویسی ژن را انجام می دهد.

گالو و همکارانش یک الگوی جایگزین را در مجله ی nature ارائه می دهند؛ که مجموعه ی آنزیمی در محفظه ی واکنش شبیه مایع وجود دارد و تفکیک فازها اتفاق می افتد. در این حالت به طور مستقل از آنزیم RNA پلیمرازII یوبیکویتین را به H2B اضافه می کند.

یوبیکویتیناسیون چگونه انجام می شود؟

در مخمر اتصال یوبیکویتین به H2B (فرآیند یوبیکویتیناسیون)، توسط آنزیم های Bre1 وRad6 انجام می شود.

پروتئین سومLge1 برای یوبیکویتیناسیون H2B در مخمر مورد نیاز است. Lge1 به طور فیزیکی به Bre1 متصل می شود اما نقش مولکولی یوبیکویتیناسیون هنوز ناشناخته است.(گالگو و همکاران)

بررسی مجددLge1 نشان دهنده ی این است؛ که ترکیب آمینواسیدی حاوی مناطق بی نظم IDR(ساختار سه بعدی ندارند.) است. این IDR، توالی نشانه ی غنی از آرژنین، تیروزین و گلایسین در انتهای آمینی می باشد. پروتئین های دیگری هم توالی IDR دارند که واکنش آنها ضعیف بوده و تحت واکنش تفکیک فاز مایع-مایع(فرآیندی که در آن پروتئین ها بر اثر میعان مانند غشای اندامک ها به هم متصل می شوند.) قرار می گیرند.

LLPS به عنوان مفهومی که می تواند جنبه های کلیدی ساختار و عملکرد کروماتین را توضیح دهد در حال پیشرفت است.

مکانیسم یوبیکویتیناسیون

۱- پروتئینLge1 تحت اثرLLPS قرارگرفته و میعان را تشکیل می دهد. این فرآیند توسط پروتئین IDR به خصوص اسید آمینه ی تیروزین در محل نشانه انجام می شود.

۲- به هنگام افزودن Bre1 به لوله ی آزمایش پدیده ی عجیبی را مشاهده کردند: Lge1 داربستی را به دور پوسته تشکیل می دهند(به عنوان تکیه گاه) که این پدیده باعث محدودیت افزایش میعانات می شود.

۳-حضورBre1 منجر به تجمع Rad6 در پوسته به همراه مجموعه ای از نوکلئوزوم ها(واحد ساختاری کروماتین که دی ان ا به دور ۸هیستون می پیچد.) می شود. بنابراین Rad6 و نوکلئوزوم ها به طور یکسان در سراسر میعان پخش می شود.

۴-Leg1 وBre1 فرم میعانات هسته و پوسته تشکیل می دهند و به عنوان محفظه ی واکنش عمل کرده، فرآیند یوبیکویتیناسیون H2B را به نوکلئوزوم می افزاید.

یكی از چالشهای مطالعه LLPS آزمایش ایده هایی است که در شرایط آزمایشگاهی و از طریق مدل سازی در سلول های زنده است. این امر که عمدتاً به این دلیل است که پروتئین های دارای IDR، تابع مطالعات ساختاری نیستند و میعانات ممکن است بسیار کوچک و پویا بوده و به راحتی در شرایط فیزیولوژیکی قابل مشاهده باشند.

با استفاده از روش های تکمیلی در شرایط آزمایشگاهی و سلول های مخمر، گالگو و همکارانش شواهدی از وجود اتاقک واکنش در داخل بدن ارائه کردند.

مراحل آزمایش گالو وهمکاران

این گروه ابتدا با تجزیه و تحلیل رسوب پروتئین در عصاره سلول نشان دادند Lge1 مجموعه ی بزرگی را تشکیل می دهد که می تواندBre1 را درگیر کند.

بعد از آن Lge1 وBre1 با قطعات پروتئین فلورسنت نشانه گذاری کردند؛ تا ارتباط این دو پروتئین در سلول ها زیر میکروسکوپ را بررسی کنند.

مطابق با LLPS پروتئین ها گروه های متمرکزی را تشکیل می دادند. سرانجام دانشمندان پی بردند که با توجه به تقارن H2B، در محل هایی که به طور فعال رونویسی انجام می شود، فرآیند یوبیکویتیناسیون در ساختار پوسته و هسته افزایش می یابد.

آن ها مدل جالبی برای ترمیم نوکلئوزوم ها ارائه دادند.

این مطالعات چه مفاهیم اساسی را در باره ی ساختار و عملکرد کروماتین به ما می آموزد؟

میعانات LLPS با Lge1-Bre1 متفاوت است؛ زیرا فقط به یک فاز جداشونده محدود نمی شود، بلکه پوسته پروتئینی دارای فعالیت آنزیمی فعال می شود. پروتئین محفظه ی واکنش LLPS به طور خودکار، میزان خود را تنظیم می کند همچنین میزان ورود Rad6،Bre1 و نوکلئوزوم را نیز کنترل می کند.

پروتئین WAC همتای Lge1 در انسان است. جهش درWAC با اختلالات عصبی تکاملی مرتبط است، و شواهدی وجود دارد که تغییرات در LLPS با بیماری های انسانی همراه است. گالگو و همكاران نشان دادند كه WAC دارای IDR است و می تواند تا حدی نقش Lge1 را در مخمر ایفا كند. داده های آن ها نشان می دهد که حالت غیر طبیعی هسته پوسته ممکن است نقشی در بیماری داشته باشد.

این ایده که پروتئین ها می توانند درون محفظه های واکنش قرار گیرند، چندین سؤال را ایجاد می کند. به عنوان مثال، رسوب هایLge1-Bre1 چطورمی تواند مکانیسم های دیگر سازماندهی و ترمیم کروماتین را تحت تأثیر قرار دهد، و چگونه آن ها مناطقی از ژنوم که در حال رونویسی فعال هستند، مورد هدف قرار می دهند؟

شاید نوکلئوزوم های موجود در بدن اصلی یک ژن – که دارای الگوهای مختلف بسته بندی نوکلئوزوم وترمیم کروماتین از سایر مناطق کروموزومی است – بسترهای مورد نیاز برای میعانات هستند. احتمال دیگر این است که دستگاه رونویسی با هدف قرار دادن این هسته های ژن- بدن، میعانات هسته پوسته را تقویت می کند.

دلیل این امر این است که RNAپلیمرازII دارای دمین تکراری کربوکسی-ترمینال، می تواند روی LLPS تاثیر بگذارد.

برای محققان اکنون سؤال مطرح می شود محفظه های واکنش، آرایش های نوکلئوزومی را از هم تمییز می دهند، دسترسی به سایر آنزیم های ویرایش کروماتین که جزئی از میعانات نیستند چگونه است، و اینکه آیا این اتاق ها پس از انحلال کروماتین کروماتین همه در یک محفظه قرار دارند.

نکته مهم دیگر این است که چگونه سایر ماکرومولکول ها می توانند با میعان Lge1-Bre1 در فضای  هسته جمع شوند.؟

یوبیکویتیناسیون H2B باعث افزایش فعالیت آنزیم های Set1 ، Dot1 و Set2،می شود؛ که گروه های متیل را به هیستون ها اضافه می کنند.

آیا این جفت شدگی نیز در میعانات رخ می دهد؟

احتمال می دهند؛ انتهای آمینیDot1 یک IDR می تواند باعث تقویت در بیان بیش از حد بوبیکویتیناسیونH2B شود. این حالت با مدلی که در آن Dot1 با میعانات Lge1-Bre1 جفت می شوند؛ تا هماهنگی مجموعه ی ترمیم نوکلئوزوم را انجام دهند. از طرف دیگر، شاید Dot1 میعانات متفاوتی را تشکیل می دهد. در این سناریو، آرایش های نوکلئوزومی ممکن است بین میعانات مجاور تحویل داده شود، یا میعانات ممکن است از طیق فرآیند هم جوشی ایجاد شوند.

ایده تفکیک فاز میعانات جدید نیست. دانشمندان ده ها سال است که در مورد خصوصیات مولکولی آن ها تحقیق می کنند، اما اکنون به نظر می رسد که این ساختارها مکانیسمی برای تنظیم فرآیندهای داخل سلول ها، به ویژه برای ساختمان کروماتین فراهم می کنند. احتمالاً نشان دهنده این واقعیت است که بسیاری از واکنش هایی که در هسته- شامل پروتئین های بی نظم هستند- در رابطه با رشته های الکتریکی اسیدهای نوکلئیک عمل می کنند و یک محیط بهینه برایLLPS فراهم می کنند(گالگو و همکاران)

این واقعیت را باید بذیرفت که مدل های ساده خطی برای واکنش های آنزیمی روی کروماتین احتمالاً خیلی ساده هستند. در عوض، واکنش ها به صورت سه بعدی اتفاق می افتد، با میعانات لایه ای تشکیل محیط های میکرو آنزیمی که واکنش ها را تنظیم کرده و همزمان می توانند کروماتین را آشکار سازند – همه در اتاقک واکنش رخ می دهند.

مقاله مرتبط:مکانیسم ترمیم DNA آسیب دیده ناشی از مصرف الکل چگونه است؟