השאלה המקורית: מהי המוטציה RecA בחיידקים מסוג Escherichia coli ומדוע היא מורידה את עמידותם לקרינת UV?
RecA הינו חלבון המעורב בתהליכים שונים של התמודדות ותיקון של נזקי דנ"א בתא החיידק.
בבסיס כל תפקידיו השונים, נמצאת יכולתו לקשור דנ"א אשר מתבצעת כתלות בנוכחות ATP אשר עובר הידרוליזה לאחר הקישור לדנ"א. במילים אחרות, החלבון הינו: DNA-dependent ATPase and an ATP-dependent DNA binding protein.
החלבון RecA יכול לקשור הן דנ"א חד גדילי (ssDNA) והן דנ"א דו גדילי (dsDNA). אולם, יצירת הקומפלקס RecA-ssDNA הינה הרבה יותר מהירה ויציבה מאשר יצירת הקומפלקס RecA-dsDNA, ולפיכך ניתן לומר כי החלבון קושר ssDNA.
הקישור לדנ"א מתחיל ע"י קישור מולקולת חלבון אחת ולאחר ביסוס קשר זה נוספות מולקולות חלבון נוספות אחת אל השנייה, כך שבסופו של דבר מתקבל סיב הבנוי ממספר יחידות חלבון הקשורות הן אחת אל השנייה והן אל הדנ"א.
יחידות RecA המתחברות אחת אל השניה על גבי דנ"א חד גדילי וממשיכות גם על גבי דנ"א דו גדילי.
שלב א. יצירת הקישור הראשוני (שלב איטי) שלב ב. יצירת הקישורים הבאים בתור (שלבים מהירים יותר).
תפקידי RecA:
רקומבינציה הומולוגית (Homologus recombination):
בעקבות יצירת שבר דו גדילי בדנ"א, החלבון RecA נקשר לקצה ה-3` של ה-ssDNA (שנוצר ע"י קומפלקס ה-RecBCD) על מנת לתקן את שלמות סליל הדנ"א ולהחזיר את המצב לקדמותו. בעקבות קישור זה, מתרחש תהליך הנקרא פלישת גדיל (strand invasion). בתהליך זה קצה ה-3` הקשור ל-RecA נכנס בין שני גדילים תקינים של דנ"א באזור הומולוגי לאזור השבר, כך שמקטע ה 3`-ssDNA יכול בשלב זה לשמש כפריימר (תחל) לסינתזת דנ"א.
פלישת גדיל (strand invation) מלמעלה למטה:
א. נוצר שבר דו גדילי. ב. פעולת אקסונוקלאז (exonuclease). ג. התרחשות .strand invasion. ד. בשלב האחרון שאינו נראה בתמונה, המצב חוזר לקדמותו והדנ"א שכולו אדום נפרד מהדנ"א שהיה כחול ועכשיו גם הוא מכיל מקטע אדום.
מעבר נזק (Lesion bypass) ונסיגת מזלג ההכפלה ((Replication fork regression:
כאשר מזלג ההכפלה נתקל בנזק דנ"א אשר הדנ"א פולימרז אינו יכול לעבור, כלומר שהפולימרז אינו יכול "לנחש" איזה בסיס אמור להיות במקום הנזק, ישנן שלוש אפשרויות היכולות להתרחש:
א. הפולימרז המסנטז את הדנ"א באופן מדויק (Pol III) מוחלף בפולימרז לא מדויק אשר מסוגל להתמודד עם נזקים בדנ"א (Pol V). מהר מאוד לאחר מעבר הנזק ע"י Pol V הוא מוחלף בחזרה ב Pol III.
מחקרים רבים מראים כי החלבון RecA משתתף בהחלפה זו בין שני הפולימרזות באופן פעיל, ושבלעדיו המנגנון אינו מתפקד באופן יעיל.
ב. מזלג ההכפלה יכול לדלג על המקום הבעייתי ולהמשיך את הכפלת הדנ"א ממקום הנמצא מעבר לנזק. בשלב מאוחר יותר יגיע למקום Pol V אשר יעבור את הנזק באותו האופן כמו בשלב א'. היות וחלק מתפקידיו הרבים של החלבון RecA הוא גם לקשור ssDNA, הוא יקשר לחד גדיל עד אשר Pol V יגיע. לפיכך, גם בצורה זו של ההתמודדות עם הנזק החלבון RecA נחוץ.
ג. נסיגת מזלג ההכפלה (Fork Regression): תהליך שבו במקום ששני הגדילים החדשים יסונטזו על בסיס הגדילים הישנים, אחד הגדילים החדשים מסונטז לפרק זמן קצר על בסיס הגדיל החדש המשלים. על מנת שזה יקרה, מזלג ההכפלה חוזר מעט אחורה והופך את הסינטזה מ: גדיל חדש לפי גדיל ישן, לסינטזה של: גדיל חדש א' לפי גדיל חדש ב'. לאחר ששני הגדילים הושלמו באזור הבעייתי המזלג מתהפך שוב במהירות וחוזר להתקדם קדימה כרגיל. גם לתהליך זה נחוץ החלבון RecA.
יתר על כן, כאשר החיידק נחשף לרמות גבוהות של נזקים בדנ"א, עליו להגיב באופן מיידי ע"י סינטזה מוגברת של חלבוני תיקון (במסלול הנקרא SOS response), אחד מהם למשל הוא Pol V שהזכרנו קודם.
במצב תקין, הגנים של חלבוני תיקון אלו מושתקים ע"י הקישור של החלבון LexA אשר נקשר לאלמנט הנקרא רפרסור (Repressor) ומונע את השעתוק שלהם. כאשר ישנו נזק נרחב לדנ"א, יש צורך להסיר את ההשתקה הזו. הסרת ההשתקה נעשית ע"י חיתוך עצמי של החלבון LexA. החלבון RecA משתלב בתמונה לא רק בכך שהוא נחוץ לחלבוני התיקון בפעולתם כמו שראינו למעלה, אלא הוא גם דרוש לחיתוך העצמי של LexA, ובלעדיו לא יהיה שעתוק מוגבר של חלבוני ה-SOS.
ואם לא די בכך, הרי ש Pol V בנוי משלוש תת-יחידות: שתי תת יחידות של החלבון UmuC ועוד תת יחידה של החלבון UmuD.
באופן מפתיע, החלבון המהווה את תת היחידה UmuD הינו דומה (הומולוגי) ל-LexA, ולשם הפיכתו ממצב לא פעיל – לפעיל, נדרש חיתוך עצמי המצריך את RecA.
כלומר, לא זו בלבד ש-RecA דרוש לסינטזת הגנים המעורבים ב-SOS response (ע"י חיתוך LexA), אלא שהוא גם נחוץ לתפקודם (ע"י חיתוך UmuD).
קודם לכן, הזכרנו כי Pol V אינו מדוייק כמו Pol III, מדוע זה?
אחת הדרישות החשובות ביותר מפולימרז המכפיל את הגנום השלם של האורגניזם (בין אם חיידק, אדם וכל מה שביניהם), הוא שהוא יהיה מדויק ולא יכניס טעויות, או בניסוח שונה – שלא יכניס מוטציות. ואכן, על מנת שמוטציות לא יופיעו בדנ"א החדש שסונטז, האתר הפעיל של הפולימרז מאוד קטן ויכול להכיל רק את הבסיס אותו הוא מכפיל.
כאשר אותו פולימרז מגיע לנזק הספוח לבסיס הדנ"א, הוא אינו יכול מבחינה פיזית להכיל את כל המבנה המוגדל בתוך האתר הפעיל. לשם כך ישנן הפולימרזות הלא מדויקות אשר כן יכולות להכיל את הבסיס עם הנזק, וכך לאפשר את המשך הכפלת הדנ"א. אלא שיכולת זו באה על חשבון הדיוק של ההכפלה, ובהרבה מקרים הפולימרזות הלא מדויקות לאו דווקא יכניסו את הבסיס הנכון.
לכן למשל, כאשר Pol III שהינו מדויק נתקל בנזק UV אשר הוא אינו מסוגל לעבור, הוא מוחלף ב Pol V אשר כן מסוגל לעבור את הנזק, אך במקרים רבים במחיר של הכנסת בסיס שגוי מול הנזק, כלומר הכנסת מוטציה.
לסיכום, מאחר וכרגע הגדרנו שתהליך זה הינו מוטגני, היינו רוצים שהוא יהיה תחת בקרות רבות על-מנת שהוא לא יתרחש שלא לצורך. לפיכך, אנו מבינים ש-RecA הוא מבקר של תהליך תיקון הדנ"א ובכך הוא מונע הכנסת מוטציות שלא לצורך.
מאידך, כאשר יש את הצורך אך RecA לא פעיל כתוצאה ממוטציה בו או שאינו נמצא כלל, התהליך של מעבר הנזק הינו הרבה פחות יעיל או אף אינו מתרחש, ולכן הדבר משפיע באופן ישיר על שרידות החיידק ויכולתו להתמודד עם קרינת UV או נזקים בכלל.
יש לציין כי Pol V אינו הפולימרז היחיד היודע לעבור נזקי DNA, וכי בחיידק E.coli ישנם שלושה המוכרים למדע כיום: Pol II, Pol IV, Pol V, שלשתם מוגדרים כ- TLS polymerases.
אילן ורד, דוקטורנט, המחלקה לכימיה ביולוגית, מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
