Unikalių išlikimo mechanizmų perkėlimas iš vienos biologinės rūšies į kitą – viena iš ambicingiausių šiuolaikinės sintetinės biologijos užduočių. Tyrėjų dėmesio centre – mikroskopiniai bestuburiai, gebantys atlaikyti ekstremalias temperatūras, slėgį ir jonizuojančiosios spinduliuotės dozes, šimtus kartų viršijančias mirtiną ribą žmogui.
Pagrindinis jų apsaugos įrankis laikomas baltymas Dsup (Damage suppressor). Tačiau Britų Kolumbijos universiteto mokslininkų atlikto didelio masto genetinio tyrimo rezultatai rodo, kad tokios apsaugos įgijimas neišvengiamai sukelia rimtus fiziologinius apribojimus.
Molekulinės sąveikos mechanika
Baltymai Dsup priklauso viduje nesusistemintų baltymų klasei. Skirtingai nuo daugumos baltymų, turinčių tvirtą trimatę struktūrą, jis išlieka lankstus, todėl gali prisitaikyti prie taikinio formos. Tichokhodokų ir transgeninių organizmų ląstelėse Dsup jungiasi su nukleosomomis – chromatino struktūriniais vienetais, sudarytais iš DNR fragmentų ir histonų baltymų.
Pagrindinė Dsup funkcija yra sukurti fizinę barjerą. Jungdamasis su DNR, jis blokuoja aktyvių deguonies formų ir hidroksilinių radikalų, kurie susidaro dėl radiacinės spinduliuotės ar cheminio poveikio, prieigą prie jos. Šios agresyvios molekulės sukelia genetinio kodo pažeidimus, vedančius prie ląstelių mirties. Dsup veiksmingai sumažina tokių pažeidimų skaičių, padidindamas bendrą sistemos išgyvenamumą.
Tačiau eksperimentai su Saccharomyces cerevisiae mielių ląstelėmis parodė, kad šis sąveika turi ir kitą pusę. DNR ląstelėje yra ne tik informacijos saugykla, bet ir dinamiška darbo aplinka. Ji turi nuolat išsipinti, kad būtų galima kopijuoti (replikacija) ir skaityti duomenis (transkripcija). Glaudus Dsup ryšys su chromatinu apsunkina šiuos procesus.
Fiziologinė apsaugos kaina
Tyrimas parodė, kad Dsup ekspresija mielėse žymiai sulėtina jų augimą. Mokslininkai užfiksavo ląstelių ciklo uždelsimą G2/M fazėje – etape, kuris tiesiogiai prieš skaldymą. Ląstelė atpažįsta Dsup buvimą savo DNR kaip kliūtį. Analizė parodė, kad baltymas sukuria papildomų sunkumų fermentams, kurie turi atskirti DNR grandines, kad sukurtų naujas kopijas.
Be to, mielių ląstelės parodė itin nestabilų požiūrį į šį baltymą. Bandant įdiegti Dsup geną naudojant stiprius reguliavimo elementus (promotorius), ląstelės greitai slopino jo aktyvumą.
Tai rodo, kad aukštas apsaugos lygis organizmui yra kritinė apkrova, nesuderinama su normaliu gyvenimu. Stabilus sistemos veikimas buvo pasiektas tik integravus geną tiesiai į genomą ir naudojant tiksliai dozuotą cheminį stimuliavimą.
Chromatino struktūros ir genų aktyvumo pokyčiai
Norėdami suprasti, kaip Dsup veikia ląstelę, autoriai taikė MNase-seq metodą. Jis leidžia nustatyti nukleosomų padėtį ir jų suspaudimo laipsnį genome. Paaiškėjo, kad Dsup nesukelia globalios branduolio architektūros pertvarkos, bet punktualiai padidina nukleosomų tankį tam tikrose srityse.
Tai veda prie transkripcijos slopinimo sustiprėjimo – genų aktyvumo slopinimo. Šiose DNR srityse užkoduota informacija tampa sunkiai prieinama ląstelių skaitymo sistemoms. Šis efektas buvo ypač pastebimas srityse, kuriose reikalingas didelis reguliavimo tikslumas.
Tuo pačiu metu mokslininkai analizavo transkriptą – visų veikiančių ląstelės genų visumą. Esant Dsup, mielės aktyvavo 343 genus ir slopino 67. Pažymėtina, kad tarp aktyvuotų genų dauguma buvo atsakingi už apsaugą nuo oksidacinio streso. Tai reiškia, kad ląstelė pereina į nuolatinės pasirengimo agresyviam poveikiui būseną, net jei išorinė aplinka išlieka palanki. Toks išteklių mobilizavimas vyksta slopinant nukleotidų ir ribosominių komponentų sintezę, o tai dar labiau sulėtina dalijimosi ir vystymosi tempą.
Genetinės priklausomybės ir remonto sistemų konfliktas
Svarbiausi duomenys buvo gauti atliekant visos genomikos tyrimą 4300 mutavusių mielių štamų kolekcijoje, kurioje kiekviename trūko vieno konkretaus geno. Tyrėjai ieškojo „sintetinio letalumo“ reiškinio – situacijos, kai ląstelė išlieka gyva, kai trūksta geno arba yra Dsup, bet miršta akimirksniu, jei šie du veiksniai veikia kartu.
Atranka nustatė 203 tokius genus. Paaiškėjo, kad Dsup buvimas daro ląstelę kritiškai priklausomą nuo DNR remonto (atstatymo) sistemų. Tai sukuria paradoksalią situaciją. Dsup iš tiesų apsaugo DNR nuo naujų pažeidimų, bet jei pažeidimas vis dėlto įvyko, tas pats baltymas trukdo jį pašalinti.
Rekonstrukcijos sistemos, tokios kaip BER (bazės ekscizinė rekonstrukcija) arba homologinė rekombinacija, reikalauja laisvos prieigos prie pažeistos DNR dalies. Dsup, savo buvimu blokuodamas šią prieigą, trukdo dirbti rekonstrukcijos fermentams. Dėl to pavieniai DNR lūžiai, kurie įprastoje ląstelėje pašalinami nepastebimai, esant Dsup tampa mirtini.
Eksperimentai su įvairiais cheminiais agentais patvirtino šį dėsningumą. Ląstelės su Dsup parodė didelį atsparumą medžiagoms, sukeliančioms oksidaciją arba tiesioginius grandinių lūžius (pavyzdžiui, bleomicinui ir vandenilio peroksidui). Tačiau veikiant hidroksimocvinui, kuris sustabdo DNR kopijavimo procesą, apsauginis poveikis išnyko. Priešingai, tokiomis sąlygomis Dsup tik sustiprino stresą, trukdydamas ląstelei įveikti replikacijos sustabdymą.
Sintetinės biologijos ribos
Dsup baltymo tyrimas mielių modelyje aiškiai iliustruoja „biologinio kompromiso“ problemą. Gamtoje nė vienas mechanizmas neegzistuoja izoliuotai. Tyliųjų gyvūnų apsauginės sistemos per milijonus metų evoliucionavo kartu su jų metabolizmu, dalijimosi sistemomis ir DNR remonto būdais.
Kai bandome perkelti atskirą šio sudėtingo mechanizmo komponentą į kitą organizmą, neišvengiamai sutrikdome jo vidinę pusiausvyrą. Dsup teikiama apsauga nuo radiacijos nėra nemokamas išteklius. Ji reikalauja, kad ląstelė pertvarkytų visą energetikos politiką, sulėtintų gyvavimo ciklą ir sukurtų naujas, sudėtingesnes priklausomybes nuo savireguliacijos mechanizmų.
Norint praktiškai pritaikyti šias žinias, pavyzdžiui, kuriant atsparias stipriam ultravioletiniam spinduliavimui žemės ūkio kultūras arba kuriant audinių apsaugos metodus spindulinės terapijos metu, nepakanka tiesiog pridėti vieną geną. Mokslininkai turės suprojektuoti visus kompensacinius kelius, kurie padės ląstelei susitaikyti su „apsauginės barjeros“ buvimu ir išsaugoti prieigą prie savo genetinės informacijos.
Pagrindinė tyrimo išvada yra ta, kad atsparumas nėra statinis bruožas, o dinamiškas procesas. Gebėjimas išgyventi ekstremaliomis sąlygomis priklauso ne tik nuo molekulių ryšių stiprumo, bet ir nuo organizmo gebėjimo išlaikyti lankstumą valdant savo vidinius išteklius esant griežtiems apribojimams. Tyliųjų genai gali tapti ateities technologijų pagrindu, bet tik su sąlyga, kad bus giliai suprasti fiziologiniai aukojimai, kurių jie reikalauja iš gyvosios sistemos.
