Ουρακίλη στο DNA: σφάλμα ή μήνυμα; Understand article

Μετάφραση από την Παρασκευή Θάνου (Paraskevi Thanou). Η ουρακίλη είναι γνωστή ως μία από τις βάσεις που χρησιμοποιούνται στο RNA, αλλά γιατί δε χρησιμοποιείται στο DNA – ή…

Θυμίνη εναντίον ουρακίλης

Η γενετική μας πληροφορία αποθηκεύεται με τη μορφή του DNA, με τη χρήση ενός αλφαβήτου τεσσάρων γραμμάτων. Τα τέσσερα “γράμματα” αντιστοιχούν στις τέσσερις αζωτούχες βάσεις, τις οποίες ο κάθε δομικός λίθος του DNA – που ονομάζεται νουκλεοτίδιο – μπορεί να περιέχει: αδενίνη (Α), θυμίνη (Τ), κυτοσίνη (C) και γουανίνη (G) (βλ. Εικόνα 1). AΌπως ανακάλυψαν οι James Watson και Francis Crick, το DNA σχηματίζει μια διπλή έλικα, στην οποία οι τέσσερις βάσεις ζευγαρώνουν πάντα με τον ίδιο τρόπο, μέσω συγκεκριμένων δεσμών υδρογόνου: η αδενίνη συνδέεται με τη θυμίνη και η γουανίνη με την κυτοσίνη (βλ. Εικόνες 2 και 3).).

Ωστόσο, υπάρχει ένα εναλλακτικό πέμπτο γράμμα: η ουρακίλη (U), η οποία σχηματίζει το ίδιο σχήμα δεσμών υδρογόνου με την αδενίνη (βλ. Εικόνα 4). Όμως, αν και η ουρακίλη χρησιμοποιείται ευρέως στο RNA, αυτό δεν ισχύει στην περίπτωση του DNA, όπου αντίθετα χρησιμοποιείται η θυμίνη. Γιατί μπορεί να συμβαίνει αυτό;

Από χημικής πλευράς, η θυμίνη είναι ένα μόριο ουρακίλης που περιέχει μια επιπλέον μεθυλομάδα. Ποιο θα ήταν το πλεονέκτημα, σε όρους εξέλιξης, να χρησιμοποιηθεί αυτός ο πιο σύνθετος δομικός λίθος στο DNA; Η απάντηση μπορεί να βρίσκεται στο πώς διορθώνουν τα κύτταρα μια βλάβη στο DNA.

Η κυτοσίνη μπορεί να μετατραπεί αυθόρμητα σε ουρακίλη, μέσω μιας διεργασίας που ονομάζεται υδρολυτική απαμίνωση (βλ. Εικόνα 4). Όταν συμβαίνει αυτό, η γουανίνη που ήταν αρχικά συνδεδεμένη με το μόριο της κυτοσίνης μένει απέναντι από μια ουρακίλη (θυμηθείτε ότι η ουρακίλη συνδέεται φυσιολογικά με την αδενίνη). Όταν στη συνέχεια το κύτταρο αντιγράφει το DNA του, η θέση απέναντι από αυτό το μόριο ουρακίλης θα καταληφθεί από μια αδενίνη, αντί της γουανίνης που θα έπρεπε να υπάρχει εκεί, μεταβάλλοντας το μήνυμα που κωδικοποιεί αυτό το τμήμα του DNA (βλ. Εικόνα 5). Αυτή η διεργασία απαμίνωσης της κυτοσίνης αποτελεί μια από τις πιο κοινές μορφές βλάβης του DNA, αλλά φυσιολογικά διορθώνεται αποτελεσματικά. Πώς το κύτταρο το κάνει αυτό;

Τα κύτταρα διαθέτουν ένα σύστημα επιδιόρθωσης που μπορεί να ανιχνεύσει πότε μια ουρακίλη βρίσκεται σε θέση, όπου θα έπρεπε να υπάρχει κυτοσίνη, και διορθώνει το λάθος πριν αυτό αντιγραφεί και διαβιβαστεί. Η πολύπλοκη μηχανή που το κάνει αυτό αποτελείται από αρκετά ένζυμα: πρώτα ουρακιλο-DNA γλυκοζυλάσες αναγνωρίζουν την ουρακίλη και την αποκόπτουν από το DNA. Στη συνέχεια αρκετά ένζυμα συνεισφέρουν στην αφαίρεση και την επανασύνθεση του τμήματος του DNA που έχει υποστεί βλάβη, κατά τη διάρκεια των οποίων η χωρίς βάση (“άδεια”) θέση στο DNA αντικαθίσταται από μια κυτοσίνη (βλ. Εικόνα 6).

Ωστόσο, η πιο κοινή μορφή της ουρακιλο-DNA γλυκοζυλάσης δεν μπορεί να διακρίνει με ποια βάση αποτελεί ζεύγος η ουρακίλη, δηλαδή αν η ουρακίλη έπρεπε να βρίσκεται εκεί (αν είναι συνδεδεμένη με αδενίνη) ή αν είναι μια μεταλλαγμένη κυτοσίνη (και βρίσκεται απέναντι από γουανίνη)· αντίθετα, θα αναγνώριζε και θα απομάκρυνε την ουρακίλη και στις δύο περιπτώσεις. Προφανώς, αυτό θα δημιουργούσε προβλήματα. Η λύση σε αυτό το δυνητικό πρόβλημα πιστεύεται ότι ήταν η ανάπτυξη ενός μηχανισμού, όπου οι “σωστές” ουρακίλες (που είναι ζευγαρωμένες με αδενίνη) επισημάνθηκαν με μια μεθυλομάδα – σχηματίζοντας θυμίνη. Με αυτόν τον τρόπο, αν η κυτταρική μηχανή έβρισκε μια ουρακίλη, θα την απομάκρυνε και θα την επιδιόρθωνε, ενώ αν έβρισκε μια ουρακίλη, επισημασμένη με μια μεθυλομάδα -μια θυμίνη (βλ. Εικόνα 4) – θα την άφηνε. Με το πέρασμα του χρόνου, επομένως, η θυμίνη στο DNA αντί της ουρακίλης έγινε ο κανόνας, και τα περισσότερα κύτταρα χρησιμοποιούν τώρα ουρακίλη μόνο στο RNA.

Γιατί η ουρακίλη διατηρήθηκε στο RNA; Το RNA έχει μικρότερη διάρκεια ζωής από το DNA και -με λίγες εξαιρέσεις- δεν αποτελεί τη δεξαμενή για μακροπρόθεσμη αποθήκευση της γενετικής πληροφορίας, ώστε τα μόρια κυτοσίνης που αυθόρμητα μετατρέπονται σε ουρακίλη στο RNA δεν παρουσιάζουν σημαντική απειλή για το κύτταρο. Επομένως, δεν υπήρξε πιθανώς εξελικτική πίεση να αντικατασταθεί η ουρακίλη με την πιο σύνθετη (και πιο δαπανηρή ενδεχομένως) θυμίνη στο RNA.

Κυτταρικός θάνατος οφειλόμενος σε έλλειψη θυμίνης

Όταν συντίθεται το DNA, τα ένζυμα DNA πολυμεράσες (που καταλύουν τη σύνθεση) δεν μπορούν να διακρίνουν τη θυμίνη από την ουρακίλη. Ελέγχουν μόνο αν οι δεσμοί υδρογόνου σχηματίζονται σωστά, δηλαδή αν τα ζεύγη βάσεων σχηματίζονται κατάλληλα. Για αυτά τα ένζυμα, δεν έχει σημασία αν η θυμίνη ή η ουρακίλη συνδέεται με την αδενίνη. Φυσιολογικά, η ποσότητα της τριφωσφορικής δεοξυουριδίνης (dUTP, πηγή της ουρακίλης) στο κύτταρο διατηρείται πολύ χαμηλή συγκρινόμενη με τα επίπεδα της τριφωσφορικής δεοξυθυμιδίνης (dTTP, πηγή της θυμίνης), εμποδίζοντας την ενσωμάτωση της ουρακίλης κατά τη διάρκεια της σύνθεσης του DNA.

Αν αυτή η αυστηρή ρύθμιση διαταραχθεί και η αναλογία της dUTP προς τη dTTP αυξηθεί, η ποσότητα της ουρακίλης που ενσωματώνεται λανθασμένα στο DNA επίσης αυξάνεται. Το σύστημα επιδιόρθωσης -το οποίο, αντίθετα από τις DNA πολυμεράσες, μπορεί να διαχωρίσει την ουρακίλη από τη θυμίνη- στη συνέχεια προσπαθεί να απομακρύνει την ουρακίλη με τη βοήθεια μιας ουρακιλο-DNA γλυκοζυλάσης και να επανασυνθέσει το DNA, πράγμα που περιλαμβάνει προσωρινά τη σχάση (κόψιμο) του σκελετού του DNA. Ωστόσο, αν η αναλογία της dUTP προς τη dTTP συνεχίσει να αυξάνεται, αυτή η επανασύνθεση μπορεί να ενσωματώσει πάλι ουρακίλη αντί θυμίνης. Αυτός ο κύκλος τελικά οδηγεί σε θραύσεις της αλυσίδας του DNA και σε κατάτμηση του χρωμοσώματος, όταν αυτές οι προσωρινές σχάσεις στο DNA συμβαίνουν η μία μετά την άλλη και πολύ κοντά μεταξύ τους (βλ. Εικόνα 7). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα συγκεκριμένο τύπο προγραμματισμένου κυτταρικού θανάτου, που ονομάζεται κυτταρικός θάνατος οφειλόμενος σε έλλειψη θυμίνης (άνευ θυμίνης κυτταρικός θάνατος).

Η διεργασία του κυτταρικού θανάτου λόγω έλλειψης θυμίνης μπορεί να τύχει εκμετάλλευσης στη θεραπεία του καρκίνου. Επειδή τα καρκινικά κύτταρα πολλαπλασιάζονται με πολύ μεγάλο ρυθμό συγκρινόμενα με τα φυσιολογικά κύτταρα, συνθέτουν μεγαλύτερη ποσότητα DNA σε δεδομένη χρονική περίοδο και επομένως απαιτούν μεγαλύτερες ποσότητες dUTP. Αυξάνοντας την αναλογία της dUTP προς τη dTTP, αυτά τα καρκινικά κύτταρα μπορούν να στοχευθούν επιλεκτικά και να εξαλειφθούν.

Κι όμως DNA με ουρακίλη υπάρχει

Παρόλο που τα περισσότερα κύτταρα χρησιμοποιούν την ουρακίλη για το RNA και τη θυμίνη για το DNA, υπάρχουν εξαιρέσεις. Μερικοί οργανισμοί περιέχουν ουρακίλη αντί θυμίνης σε ολόκληρο το DNA τους. Ποιο θα μπορούσε να είναι το εξελικτικό πλεονέκτημα αυτού του γεγονότος; Ας ρίξουμε μια ματιά σε μερικά παραδείγματα.

Ουρακίλη σε ιικό DNA

Δύο είδη φάγων (ιοί που μολύνουν βακτήρια) είναι γνωστά να έχουν γονιδίωμα DNA μόνο με ουρακίλη και καθόλου θυμίνη. Δε γνωρίζουμε ακόμη αν αυτοί οι φάγοι αντιπροσωπεύουν μια αρχαία μορφή ζωής που ποτέ δεν ανέπτυξε DNA που περιέχει θυμίνη, ή αν τα υποκατεστημένα με ουρακίλη γονιδιώματά τους είναι μια πρόσφατα εξελιγμένη στρατηγική. Δε γνωρίζουμε επίσης γιατί αυτοί οι φάγοι χρησιμοποιούν ουρακίλη αντί θυμίνης, μπορεί όμως να παίζει έναν ουσιώδη ρόλο στον κύκλο ζωής αυτών των ιών. Αν αυτό ισχύει, θα ήταν λογικό για τους ιούς να εξασφαλίζουν ότι η ουρακίλη στο DNA τους δε θα αντικαθίσταται από θυμίνη. Και ένας από αυτούς τους φάγους πράγματι αποδείχθηκε ότι διαθέτει ένα γονίδιο που κωδικοποιεί μια ειδική πρωτεΐνη, ώστε να αναστέλλει την ουρακιλο-DNA γλυκοζυλάση του ξενιστή, παρεμποδίζοντας έτσι την “επιδιόρθωση” της ουρακίλης του ιικού γονιδιώματος από τα ένζυμα του ξενιστή.

Προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος στον κύκλο ζωής των εντόμων

Το DNA που περιέχει ουρακίλη φαίνεται να παίζει ρόλο επίσης στην ανάπτυξη των ενδοπτερυγωτών – εντόμων που υφίστανται μεταμόρφωση κατά τη διάρκεια του κύκλου ζωής τους (τα μυρμήγκια και οι πεταλούδες μεταμορφώνονται· οι ακρίδες και οι τερμίτες όχι). Αυτά τα έντομα έχουν έλλειψη του κύριου γονιδίου για την ουρακιλο-DNA γλυκοζυλάση, η οποία σε διαφορετική περίπτωση θα απομάκρυνε την ουρακίλη από το DNA τους.

Επιπλέον, η δική μας έρευνα έχει δείξει ότι στην προνύμφη της μύγας των φρούτων Drosophila melanogaster η αναλογία της dUTP προς τη dTTP ρυθμίζεται με έναν ασυνήθιστο τρόπο: σε όλους τους ιστούς που δε θα είναι απαραίτητοι στο ενήλικο έντομο, υπάρχουν πολύ χαμηλότερα επίπεδα του ενζύμου που αποικοδομεί τη dUTP και παράγει ένα πρόδρομο μόριο του σχηματισμού της dTTP. Κατά συνέπεια, σημαντικά ποσά ουρακίλης ενσωματώνονται σε αυτούς τους ιστούς κατά τη διάρκεια της σύνθεσης του DNA.

Έτσι, κατά το στάδιο της προνύμφης συντίθεται DNA που περιέχει ουρακίλη και φαίνεται ότι δε διορθώνεται στους ιστούς που πρόκειται να εκφυλιστούν κατά το στάδιο της νύμφης. Επειδή αυτά τα ένζυμα δε διαθέτουν το κύριο ένζυμο της ουρακιλο-DNA γλυκοζυλάσης, στο στάδιο της νύμφης, επιπρόσθετοι ειδικοί παράγοντες του DNA που περιέχει ουρακίλη μπορεί να αναγνωρίζουν αυτή τη συσσωρευμένη ουρακίλη ως ένα μήνυμα για ενεργοποίηση του κυτταρικού θανάτου.

Ευεργετικά λάθη: το ανοσοποιητικό σύστημα των σπονδυλωτών

Η ουρακίλη στο DNA, ωστόσο, μπορεί να βρεθεί επίσης πιο κοντά μας – στο ανοσοποιητικό σύστημα των σπονδυλωτών, όπως το δικό μας. Μέρος του ανοσοποιητικού μας συστήματος, η ειδική ανοσία, παράγει ένα μεγάλο αριθμό διαφορετικών αντισωμάτων που είναι εκπαιδευμένα να μας προστατεύουν από συγκεκριμένα παθογόνα. Για να αυξήσουμε τον αριθμό των διαφορετικών αντισωμάτων που μπορούν να σχηματιστούν, ανασχηματίζουμε την αλληλουχία του DNA στις περιοχές που τα κωδικοποιούν, όχι μόνο ανασυνδυάζοντας τις υπάρχουσες αλληλουχίες στα κύτταρα, αλλά και δημιουργώντας καινούργιες μέσω πάρα πολύ αυξημένων ρυθμών μετάλλαξης, γνωστών ως υπερμεταλλάξη.

Η υπερμετάλλαξη ξεκινά με ένα ειδικό ένζυμο (μια απαμινάση, activation-induced deaminase) που μετατρέπει την κυτοσίνη σε ουρακίλη (βλ. Εικόνα 4) σε συγκεκριμένες περιοχές του DNA, επάγοντας μια επιδιορθωτική απόκριση επιρρεπή σε λάθος, την οποία ο οργανισμός χρησιμοποιεί προς όφελός του: τα “λάθη” δημιουργούν νέες αλληλουχίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να παράγουν διαφορετικά αντισώματα. Αυτός ο μηχανισμός ρυθμίζεται πολύ αυστηρά, ωστόσο, καθώς αν ξέφευγε από τον έλεγχο, θα οδηγούσε σε καρκίνο.

Αναλογιζόμενοι την ερώτηση γιατί ουρακίλη ή γιατί θυμίνη, πρέπει να λάβουμε υπόψη το γενικότερο πλαίσιο της εξέλιξης. Οι ζωντανοί οργανισμοί έχουν εξελιχθεί σε ένα διαρκώς μεταβαλλόμενο περιβάλλον, αντιμετωπίζοντας ένα δυναμικό συνδυασμό προκλήσεων. Επομένως, μια λύση που θα απέφευγε την ενσωμάτωση λαθών στο DNA είναι ωφέλιμη για τους περισσότερους οργανισμούς και τα περισσότερα κύτταρα, γεγονός το οποίο εξηγεί γιατί το DNA που περιέχει θυμίνη έγινε ο κανόνας. Κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες, ωστόσο, τα ίδια τα “λάθη” μπορούν να είναι ευεργετικά, το οποίο είναι ο λόγος που μερικά κύτταρα ακόμη χρησιμοποιούν ουρακίλη στο DNA τους.

Download

Download this article as a PDF