מכונות מולקולריות השולטות בגנים

2023 מְחַבֵּר: Peter Bradberry | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-05-21 22:33

מה אמר נשיא המכון הרפואי האוורד רוברט טיג'אן החדש על פעילויות הגנים שלנו בשנת 1995: הם מווסתים היטב על ידי קומפלקסים מורכבים של חלבונים המורכבים על DNA. הפרעות בפעולה הרגילה של מכלולים אלה עלולות להוביל למחלות.

הערת העורך: מאמר זה פורסם במקור בגליון Scientific American בפברואר 1995. אנו מפרסמים זאת מחדש השבוע מכיוון שרוברט טיג'אן מונה זה עתה לנשיא המכון הרפואי הווארד יוז.

אסטמה, סרטן, מחלות לב, הפרעות חיסוניות וזיהומים נגיפיים הם לכאורה מצבים שונים. עם זאת הם מתארים כמשתפים בתכונה מפתיעה. כולם נובעים במידה רבה מייצור יתר או תת-ייצור של חלבון אחד או יותר, המולקולות שמבצעות את רוב התגובות בגוף. מימוש זה העניק דחיפות חדשה למחקר שמטרתו להבין, ולבסוף לתפעל, את המנגנון הביוכימי המרתק המסדיר צעד חיוני בסינתזת החלבון: תעתיק גנים. כדי שייווצר חלבון, יש לתעתק, או להעתיק, את הגן המפרט את הרכבו מ- DNA לחוטים של RNA שליח, אשר משמשים אחר כך לתבניות שמהן מיוצר החלבון.

עוד לפני שהטיפול הפך למטרה, התעתיק שובה את מדענים זה מכבר מסיבה אחרת: ידיעה כיצד מוסדר תהליך זה מבטיחה להבהיר כמה מסתרי חיים מרכזיים. כל תא בגוף מכיל את אותו הגנום, השלמה של כ -150,000 גנים המהווים את התוכנית לבני אדם. איך זה שהתא המקורי של אורגניזם - הביצית המופרית - מוליד מספר עצום של סוגי תאים, שכל אחד מהם משתמש בקבוצות משנה שונות במקצת של אותם גנים כדי לייצר תערובות שונות של חלבונים? וכיצד תאים של גוף מעוצב לחלוטין שומרים על עצמם, מגדילים ומצמצמים את כמויות החלבונים שהם מייצרים בתגובה לצרכים שלהם ושל האורגניזם הגדול יותר.

כדי לענות על שאלות אלה ולעצב תרופות המסוגלות לווסת תמלול, החוקרים צריכים לדעת משהו על אופן ההתקנה של המכשיר השולט בקריאת הקוד הגנטי בתאים אנושיים. לאחר כ- 25 שנות חקירה, המבנה הכללי של המכשיר ההוא מתבהר. עבודה במעבדה שלי באוניברסיטת קליפורניה בברקלי ובמוסדות אחרים העלתה כי חלק אחד במנגנון - מנוע ההעתקה של רוב הגנים האנושיים, אם לא כולם - מורכב מכ- 50 חלבונים נפרדים. חלבונים אלה חייבים להרכיב למתחם הדוק על ה- DNA לפני שאנזים מיוחד, RNA פולימראז, יכול להתחיל להעתיק DNA ל- RNA שליח. המרכיבים המשוערים שולבו כעת במבחנה כדי להניב מנוע תמלול תפעולי לחלוטין. חלבונים אחרים בעצם מתחברים לשקעים קולטיים במנוע ובכך "מתכנתים" אותו ומספרים לו אילו גנים יש לתעתק ובמהירות. פרטים קריטיים על אינטראקציות אלה מתגלים גם כן.

רמזים מחיידקים

כאשר עמיתיי ואני בברקלי התחלנו להתמקד בגנים אנושיים בסוף שנות השבעים, מעט היה ידוע על מכונות התעתיק בתאינו. אך מחקרים שהחלו בתחילת אותו עשור סיפקו תמונה ברורה למדי של תעתיק בחיידקים פרוקריוטים ובאורגניזמים פרימיטיביים אחרים תאיים חסרי גרעין מוגדר. עבודה זו בסופו של דבר העניקה תובנה לתאים אנושיים ואוקריוטים אחרים (גרעינים) וסייעה בהגדרת מאפייני תמלול המתאימים כמעט לכל האורגניזמים. מחקרי החיידקים הראו כי גנים מחולקים למעשה לשני אזורים נפרדים מבחינה תפקודית. אזור הקידוד מציין את רצף חומצות האמינו שיש לקשר יחד כדי ליצור חלבון מסוים. רצף זה נכתב על ידי הנוקליאוטידים (אבני הבניין של ה- DNA) בחוט אחד של סליל ה- DNA הכפול; הנוקלאוטידים נבדלים זה מזה על ידי הבסיס העשיר בחנקן שהם נושאים - אדין (A), תימין (T), ציטוזין (C) או גואנין (G). באזור השני של הגן יש חובות רגולטוריות. הוא שולט בקצב שבו RNA פולימראז מתמלל את אזור הקידוד של גן ל- RNA שליח.

בחיידקים, כמו ברוב הפרוקריוטים, האזור הרגולטורי, המכונה האמרגן, שוכן ברצועה של נוקליאוטידים שנמצאים במרחק קצר - לעתים קרובות עד 10 נוקלאוטידים - לפני (במעלה הזרם) תחילת אזור הקידוד. כדי שתמלול ימשיך בצורה מדויקת ויעילה, RNA פולימראז חייב להיצמד ליזם. ברגע שהוא ממוקם כך, הוא גולש לתחילת אזור הקידוד ורוכב לאורך ה- DNA, כמו רכבת על מסילה, ובונה העתק RNA של רצף הקידוד. למעט בגנים ארוכים מאוד, מספר מולקולות ה- RNA שנוצרו בכל רגע תלוי בעיקר בקצב שבו מולקולות של RNA פולימראז מתחברות ליזם ויוזמות שעתוק.

מעניין ש- RNA פולימראז הוא מולקולה מופקרת למדי, שאינה מסוגלת להבחין בין האמרגן לרצפי DNA אחרים. כדי לכוון את האנזים למקדמי גנים ספציפיים, חיידקים מייצרים מגוון חלבונים, המכונים גורמי סיגמא, הנקשרים לרינמר פולימראז. המתחמים שנוצרו מסוגלים לזהות ולהתחבר לרצפי נוקליאוטידים נבחרים אצל היזמים. בדרך זו, גורמי הסיגמה מתכנתים את ה- RNA פולימראז כדי לעקוף את כל הרצפים הלא מקדמים ולהשהות רק אצל היזמים המיועדים לכך.

בהתחשב בחשיבותם של גורמי סיגמא להפעלה דיפרנציאלית של גנים בחיידקים, התחלנו עמיתי ואני בחקירתנו את מנגנון התעתיק האנושי על ידי חיפוש מולקולות סיגמאליות בתאים אנושיים. אך זלזלנו במורכבות המכונות שהתפתחו כדי לאחזר מידע גנטי מהגנום המורכב שלנו. עד מהרה התברר כי גורמי סיגמא אנושיים עשויים שלא להתקיים או שאינם לובשים אותה צורה כמו אצל חיידקים.

מורכבות מפתיעה

אם לא היו גורמי סיגמה פשוטים באאוקריוטים, כיצד תאים כאלה הבטיחו כי RNA פולימראז תעתיק את הגנים הנכונים בזמן הנכון ובקצב הנכון? התחלנו לראות נצנוץ של תשובה לאחר שתוכנן יוצא דופן של גנים אוקריוטיים.

בשנת 1983 החוקרים קבעו כי שלושה סוגים של אלמנטים גנטיים, המורכבים מרצפים נפרדים של נוקלאוטידים, שולטים ביכולתו של RNA פולימראז ליזום שעתוק בכל האיקריוטים - מהשמרים החד תאיים לאורגניזמים רב-תאיים מורכבים. אחד מהאלמנטים הללו, הממוקם בדרך כלל קרוב לאזור הקידוד, נמצא מתפקד כמו מקדם חיידקים. המכונה מקדם ליבה, זהו האתר שממנו מתחיל הפולימראז בדרכו לאורך אזור הקידוד. לגנים רבים בתא מקדמי ליבה דומים.

וולטר שאפנר מאוניברסיטת ציריך וסטיבן לנייר מקנייט ממכון קרנגי מוושינגטון, בין היתר, זיהו בנוסף מערך יוצא דופן של אלמנטים רגולטוריים הנקראים משפרים, המאפשרים תמלול. רצפים אלה יכולים להיות ממוקמים אלפי נוקלאוטידים במעלה הזרם או במורד הזרם ממקדם הליבה, כלומר, רחוק להפליא ממנו. ומחקרים שלאחר מכן גילו את קיומם של משתיקי קול, המסייעים במניעת תעתיק ושוב ניתן למקם מרחק רב ממקדם הליבה.

באנלוגיה קצת לא מושלמת, אם מקדם הליבה היה מתג ההתנעה של מנוע מכונית, משפרי שיפעל היו כמאיץ, ומשתיקי קול כמו הבלמים. גנים אוקריוטיים יכולים לכלול מספר משפרים ומשתיקי קול, ושני גנים עשויים להכיל כמה משפרים או מרכיבי משתיק זהים, אך אין שני גנים דומים זה לזה בשילוב משפרי ומשתיקי שתיקה שהם נושאים. סידור זה מאפשר לתאים לשלוט בתעתיק של כל גן בנפרד.

גילוי היסודות הללו הביא לשתי מסקנות קשורות, ובאותה עת, מפתיעות ביותר. היה ברור שמשפרים ומשתיקי קול לא יכולים לשלוט בעצמם בפעילות ה- RNA פולימראז. יש להניח שהם שימשו כאתרי עגינה למשפחה גדולה של חלבונים. החלבונים שנקשרו למשפרים ומשתיקי קול - שכיום נקראים מפעילים ומדכאים - העבירו אז מסרים מגרים או דיכוי ישירות או בעקיפין לפולימראז RNA (כלומר לחוץ על המאיץ או על הבלמים). נראה היה כי סביר להניח כי קצב תעתיק הגן יוכתב על ידי הפעילות המשולבת של כל גורמי החלבונים או שעתוק הקשורים לאלמנטים הרגולטוריים השונים בו.

גורם אנושי מתגלה

עם זאת, היה לנו קשה להסביר כיצד חלבונים שקשורים לרצפי DNA הרחק ממקדם הליבה של גן יכולים להשפיע על תעתיק הגן. כמו שקורה במעבדות אחרות, התחלנו לתקוף את הפאזל הזה בניסיון לבודד את גורמי התעתיק האנושיים, שאף אחד מהם עדיין לא נמצא (למעט RNA פולימראז עצמו). הנחנו שברגע שיהיו לנו עותקים טהורים של הגורמים נוכל לקבל יותר תובנה כיצד הם מתפקדים בדיוק.

מכיוון שחלבונים רבים הנקשרים ל- DNA ממלאים תפקיד בקריאת גנים, לא הצלחנו למצוא גורמי שעתוק ביעילות על ידי סינון חלבונים גרעיניים אך ורק על פי יכולתם להתרועע עם DNA. לכן הקבוצה שלי אימצה אסטרטגיה מפלה יותר, וחיפשה חלבונים שבתגובת מבחנה בשילוב עם DNA וגם שעתוק מגרה.

בשנת 1982 וויליאם ס 'דינאן, פוסט-דוקטורט במעבדה שלי, קבע כי חלבון כלשהו בתערובת של חלבונים גרעיניים מתאים לכל הדרישות של גורם שעתוק. הוא קשור לאלמנט רגולטורי המשותף לקבוצת נבחרים של גנים - רצף משפר המכונה תיבת GC (בגלל שפע נוקלאוטידים G ו- C). חשוב יותר, כאשר הוסיפו לתכשיר של חלבונים גרעיניים שכללו RNA פולימראז, החומר הגדיל באופן משמעותי את התעתיק רק של גנים הנושאים את תיבת GC. לפיכך, זיהינו את גורם השעתוק האנושי הראשון שמסוגל לזהות רצף רגולטורי ספציפי. קראנו לזה חלבון ספציפי 1 (Sp1).

מיד יצאנו לטהר את המולקולה. היבט מרתיע אחד בעבודה זו היה העובדה שגורמי תעתיק נוטים להופיע רק בכמויות זעירות בתאים. בדרך כלל, פחות מאלף אחוז מתכולת החלבון הכוללת של תא אנושי מורכב מכל גורם מסוים. בשנת 1985 ג'יימס ט. קדונגה במעבדה שלי מצא דרך להתגבר על המחסום הטכני המהותי הזה, ותוך כדי כך הציג כלי חדש ועוצמתי ששימש מאז לטיהור אינספור גורמי שעתוק וחלבונים דלילים אחרים המחייבים DNA.

מכיוון ש- Sp1 זיהה באופן סלקטיבי את תיבת ה- GC, קדונגה סינתזה מולקולות DNA שהורכבו כולה מאותה תיבה ועיגנה אותן כימית לחרוזים מוצקים. ואז הוא העביר תערובת מורכבת של חלבונים גרעיניים אנושיים מעל ה- DNA, וחזה שרק Sp1 ידבק בו. נכון לתכנון, כשהפריד בין חלבונים קשורים ל- DNA סינתטי, היה לו Sp1 טהור.

ממחקרים שבוצעו על ידי מארק פטשנה ועמיתיו באוניברסיטת הרווארד, ידענו כי מווסתים של שעתוק חיידקים הם חלבונים מודולריים, בהם אזורים נפרדים מבצעים משימות שונות. לאחר שלמדנו את רצף חומצות האמינו ב- Sp1, חיפשנו אפוא ראיות למודולים שונים וציינו לפחות שתי מעניינות.

קצה אחד של המולקולה הכיל אזור שהתקפל כמובן לשלוש "אצבעות אבץ". מבנים של אצבעות אבץ, שבהם חלקים של חלבון מתקפלים סביב אטום אבץ, ידועים כיום כ"הווים "המחברים חלבוני מפעילים רבים ל- DNA. אבל באותה תקופה Sp1 היה רק החלבון השני שנמצא להשתמש בהם. אהרון קלוג ועמיתיו במועצה למחקר רפואי באנגליה גילו אצבעות אבץ, בגורם שעתוק של צפרדעים, זמן קצר לפני כן [ראה "אצבעות אבץ" מאת דניאלה רודס ואהרון קלוג; אמריקאי מדעי, פברואר 1993].

הקצה השני של Sp1 הכיל תחום המורכב משני מקטעים נפרדים מלאים בחזקת חומצת האמינו גלוטמין. חשדנו מאוד כי אזור זה מילא תפקיד חשוב במהלך התמלול בגלל ממצא בולט. בניסויים במבחנה, מולקולות Sp1 מוטציות חסרות תחום יכולות להיקשר ל- DNA בצורה מושלמת, אך הן לא הצליחו לעורר את תעתיק הגן. תוצאה זו הצביעה על כך ש- Sp1 לא השפיע על תעתיק אך ורק על ידי שילוב עם DNA; זה עבד על ידי שימוש בפלח העשיר בגלוטמין שלו - המכונה כיום תחום הפעלה - כדי לקיים אינטראקציה עם חלק אחר במכונות התעתיק. השאלה הייתה, איזה חלק ?.

בשנת 1988, כשהתחלנו לחפש את המטרה של Sp1, היה לנו מושג איפה היא מונחת. הניחוש שלנו התבסס על הבנה הולכת ומתעוררת של מה שמכונה קומפלקס תעתיק בסיסי, שנראה שחלקו מהווה יעד סביר.

סוגרים יעד

באמצע שנות השמונים רוברט ג 'רודר ועמיתיו מאוניברסיטת רוקפלר הראו כי RNA פולימראז אינו יכול להעתיק גנים אאוקריוטים אלא אם כן כמה גורמי שעתוק אחרים - המכונים כיום גורמים בסיסיים - אוספים גם על מקדם הליבה. ובמהלך שנות השמונים, מעבדת רודר ואחרים זיהו לפחות שישה מאותם גורמים חיוניים, הנקראים A, B, D, E, F ו- H.

במבחנה, מכלול זה של גורמים אפשר לרנ-פולימראז לתעתק גן מאוגד בשיעור בסיסי-נמוך ובלתי משתנה, אך הוא לא יכול היה לבדו לשנות את הקצב הזה. כאילו מישהו בנה והפעיל מנוע של מכונית אך איבד שימוש בהגה, במאיץ ובבלמים. למשל, כאשר הקבוצה שלי ערבבה את מרכיבי המכלול (כולל פולימראז RNA) עם גן המכיל תיבת GC, השגנו תעתיק נמוך ללא שינוי. ראינו עלייה ניכרת בתעתיק רק כאשר שילבנו את Sp1 בתערובת.

בסוף שנות השמונים היה ברור כי בתאים אנושיים נמצאים לפחות שני סוגים נפרדים של גורמי שעתוק. גורמים בסיסיים נדרשים להתחלת תעתיק בכל הגנים; חלבונים אחרים - פעילים ומדכאים - מכתיבים את קצב פעולת התסמונת הבסיסית. גנים שונים נשלטים על ידי שילובים מובחנים של מפעילים ומדכאים. כעת אנו חושדים כי בגוף המתחם הבסיסי מתגלה באופן ספונטני רק לעיתים נדירות; לרוב, תאים תלויים במפעילים שיזמו את בנייתו.

תגליות שונות אלה העלו כי התחום העשיר בגלוטמין של Sp1 משפר את התעתיק על ידי יצירת קשר עם גורם בסיסי. באופן ספציפי יותר, חשדנו ש- Sp1 השתלב בגורם D, והקל על הצמדתו ליזם. התמקדנו ביחידת משנה זו מכיוון שפיליפ א 'שארפ וסטיבן בוראטובסקי מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס הראו כי היא יכולה לנחות על מקדם הליבה לפני כל שאר גורמי הבסיס ויכולה להקל על הרכבת המנוע הבסיסי השלם. למעשה, גורם D הוא המרכיב הבסיסי היחיד שמסוגל לזהות DNA. הוא נקשר באופן סלקטיבי לרצף הנקרא תיבת TATA, שנמצא במקדמי הליבה של גנים אוקריוטים רבים.

כדי להמשיך את ההשערה שלנו, היינו צריכים לדעת יותר על הרכב הגורם D, שהנחנו שהוא חלבון בודד. חוקרים אחרים רצו גם לדעת את האיפור שלה, ולכן המירוץ היה להשיג עותקים טהורים. בידוד מתאים אנושיים התגלה כמאתגר יותר ממה שציפה. כתוצאה מכך, קבוצות רבות ניסו בסופו של דבר את מזלן בתאי שמרים. לבסוף, בשנת 1989, כמה מעבדות הצליחו באופן עצמאי לבודד חלבון שמרים שהציג את התכונות הצפויות של גורם D. החלבון, ששמו TBP (לחלבון מחייב TATA), זיהה ונכרך באופן סלקטיבי לתיבת TATA והוביל לרמה נמוכה של תעתיק כאשר הצטרף למקדם הליבה על ידי RNA פולימראז ומרכיבים אחרים של מכונות הבסיס.

מתוך האמונה שחלבון ה- TBP היה גורם D עצמו, התחייבנו לבדוק רעיון זה במחקרים נוספים. לאחר שעשינו זאת, התכוונו לקבוע במדויק לאיזורים של TBP קשר Sp1 ורגולטורים אחרים יצרו קשר. לא ידענו שאנחנו עומדים לסוכל לחלוטין - ולגלות תגלית קריטית.

בעיה לא צפויה

כאשר ב 'פרנקלין פו במעבדה שלנו החליף את ההכנות הטמאות של גורם D ששימש בעבר בתגובות המבחנה שלנו במולקולות מטוהרות של TBP, הוא לא התקשה לשחזר את הממצא הקודם כי תחליף כזה בשום אופן לא משבש את התעתיק הבסיסי. להפתעתנו ולתדהמתנו, עם זאת, הוא מצא כי Sp1 אינו מסוגל עוד להשפיע על מכונות הבסיס. היינו צריכים להסיק שגורם D ו- TBP לא היו שוות ערך, וגורם D למעשה כלל TBP בתוספת יחידות משנה אחרות. (ידוע כיום כי גורמי שעתוק רבים מורכבים ביותר מחלבון אחד.) ככל הנראה, יחידות משנה אלה לא היו נחוצות להפעלת מכונות הבסיס, אך הן היו חיוניות להסדרת מכונות אלה על ידי מפעילים.

במילים אחרות, רכיבים נוספים אלה לא היו פעילים בעצמם, מכיוון שהם לא נקשרו לרצפים ספציפיים ב- DNA. הם גם לא היו גורמים בסיסיים מכיוון שניתן היה להשיג בלעדיהם רמות נמוכות ובלתי מוסדרות של תמלול. נראה שהם מהווים מחלקה שלישית של גורם שעתוק, אותו כינינו קואקטואיטבים. עוד הצענו שקואקטיביבים, ולא TBP, היו היעדים לתחומי קשירת החלבון של המפעילים. חזינו כי מפעילים ייקשרו לקו-אקטיביוואטורים נבחרים כדי להאיץ את הקצב שבו התסביך הבסיסי מניע מולקולות של RNA פולימראז.

נמשכנו לתרחיש זה מכיוון שהתקשינו לדמיין כיצד לחלבון יחיד, TBP, יהיו מספיק אתרי קשירה בכדי להכיל את כל המפעילים המיוצרים על ידי תאים אנושיים. אך אם המשתפים המקושרים היטב ל- TBP נושאים תחומים מחייבים מרובים, המשתפים יוכלו לספק ביחד את אתרי העגינה הדרושים להעברת הודעות ממאות או אלפי פעילים למנוע התעתיק.

זה היה פו שהציע במקור כי קואקטיביבים עשויים לתפקד כמולקולות מתאם כאלה. עד מהרה הנתונים שלו שכנעו אותי שהוא כנראה נכון, אבל לא כולם במעבדה שלנו הסכימו. ואכן, פגישותינו השבועיות בתחילת 1990 היו מנוקדות לעתים קרובות בדיונים סוערים. באופן לא מפתיע, כאשר הוצג מושג הקואקטיביסט לעובדים אחרים בתחום, הם גם הביעו ספקנות ניכרת. התגובה הזו לתוצאה בלתי צפויה ומסבכת הייתה כנראה מוצדקת באותו שלב, כי הנתונים שלנו היו רק מרמזים, ולא סופיים. עדיין לא בידדנו ולו קואקטיבטיבור אחד.

Coactivators: הקישורים החסרים

כדי לספק את עצמנו ואת הקהילה המדעית שאנחנו צודקים, היינו צריכים לתכנן הליך ניסיוני שיקבע באופן חד משמעי האם קואקטואיטבים קיימים ופועלים כממסרים שציפינו. במשך כשנתיים לאחר שגיבש Pugh את השערת הקו-אקטיביטור, נאבקנו לטהר קומפלקס שלם ופונקציונלי המכיל TBP ואת כל שאר המרכיבים הקשורים לגורם D. אני חייב להודות בכמה רגעים אפלים שנראה שההשערה הקואקטיביסטית לא פופולרית למדי על טעות כלשהי במחקרים שלנו.

פריצת הדרך הגיעה לבסוף בשנת 1991, כאשר בריאן ד.סטודנטים לתואר ראשון בדינלאכט, טימותי הוי, נאוקו טאנאן ורוברט וויינזיירל ועמיתים פוסט-דוקטורטיים במעבדה שלנו, מצאו דרך גאונית לבודד עותקים טהורים של גורם D. ניתוחים ביוכימיים לאחר מכן גילו כי מלבד TBP, היחידה השלמה כללה שמונה חלבונים שלא היו ידועים בעבר.. מכיוון שעדיין לא הייתה לנו הוכחה לכך שחלבונים אלה יכולים לתפקד כמפעילים מקדמים, התייחסנו אליהם באופן כללי יותר כגורמים הקשורים ל- TBP או כ- TAF

השתכנענו כי TAFs אכן מעבירים אותות מולקולריים ממפעילים למנגנון השעתוק הבסיסי לאחר שהפרדנו את החלבונים הקשורים ל- TBP והשלמנו מספר ניסויים נוספים. לדוגמה, הצלחנו להראות כי ערבוב של activator Sp1 עם גורמים בסיסיים ו- RNA פולימראז משפר את הייצור של RNA שליח מגן המכיל תיבת GC רק כאשר נוספו גם TAFs. מאוחר יותר שילב ג'ין-לונג צ'ן, סטודנט לתואר שני, TBP מטוהר ושמונת ה- TAF המבודדים במבחנה יחד עם גן אנושי ושאר מכונות התעתוק הבסיסיות. החלבונים השונים התאספו על הגן והוכיחו שהם מסוגלים להגיב למספר סוגים שונים של חלבוני פעילים. מאוחר יותר הראינו שהפעילים הללו ייצרו את ההשפעות שלהם על ידי צימוד ישיר ל- TAFs נבחרים. יחד המשותפים בגורם D אכן מהווים מעין יחידת עיבוד מרכזית המשלבת את האותות הרגולטוריים המופעלים על ידי מפעילים הקשורים ל- DNA.

נושא אוניברסלי

נראה שהמתחמים שנוצרו על ידי מפעילים, קואקטיביבים והמכונות הבסיסיות מקבילים אנושיים לגורמי סיגמא; גם הם מושכים RNA פולימראז לגנים ספציפיים בקצב ספציפי. באופן מסוים, ניתן לראות את המתחמים כגורמי סיגמא אשר פורטו ביחידות משנה רבות. באופן משמח, עדויות עדכניות מקבוצתנו ואחרות מצביעות על כך שגילינו אופן אוניברסלי של ויסות גנים באאוקריוטים. מחקרים אלה מאשרים כי קואו-אקטיביבים קיימים גם בשמרים וגורם D מורכב ממספר יחידות משנה בפטריות כמו גם בבני אדם.

עד כמה שתוצאות אלה משביעות רצון, הן אינן מסבירות באופן מלא כיצד קשירת פעילים למשפרים ומשתפי פעולה משפיעה על קצב תעתיק ה- RNA פולימראז בגנים בתאים החיים. יכול להיות שהקשר בין פעילים למשפרים גורם לדנ"א להתכופף באופן שמקרב את המשפרים זה לזה ולקדם הליבה. הסדר זה עשוי לסייע למפעילים (לבד או בשיתוף פעולה זה עם זה) לעגן עם מקדמי הפעולה וגורם המיקום D למקדם. צעד זה, בתורו, יקל על הרכבת המתחם הבסיסי השלם. היווצרות קומפלקס זה עלול לעוות את ה- DNA הבסיסי באופן המאפשר RNA פולימראז להתחיל את דרכו לאורך אזור הקידוד.

החוקרים יודעים פחות על תפקודם של מדכאים. אף על פי כן, רבים מאיתנו חושבים שמדיכאים עשויים להיקשר לעיתים גם למשתפים. כריכה זו עלולה לעכב שעתוק בכך שהיא מונעת מפעילים להצטרף לאתרים הרגילים שלהם במשתפים. פעמים אחרות מדכאים עשויים לעקוף את מכונות הבסיס, ולחסום תעתיק על ידי מניעת התחברות של מפעילים עם משפרי.

למרות שיש פערים בידע שלנו, כעת אנו יכולים להתחיל לשרטט הסבר מדוע תאים שונים מייצרים תערובות שונות של חלבונים במהלך ההתפתחות העוברית ובאורגניזמים בוגרים. גן יועתק בקצב מדיד רק אם המפעילים השונים שהוא זקוק לו נמצאים ויכולים להתגבר בהצלחה על ההשפעות המעכבות של מדכאים. התאים משתנים בחלבונים שהם מייצרים מכיוון שהם מכילים סוללות שונות של פעילים ומדכאים. כמובן, תרחיש זה מעלה את השאלה כיצד תאים מחליטים אילו גורמי תעתיק מייצרים מלכתחילה, אך גם בחזית זו מתקדמת.

טיפולים של מחר כיצד חוקרים עשויים להשתמש בידע החדש שנרכש שלנו בנושא ויסות גנים כדי לפתח תרופות למאבק במחלות מסכנות חיים הכרוכות בתעתיק מופרז או בלתי מספק של גן? בתיאוריה, חסימת מפעילים נבחרים מהצמדות למשפרים או מקדמי פעולה צריכה לדכא תעתיק לא רצוי, וייצוב מכונות התעתוק בגן אמור לנטרל תעתיק חלש שלא רצוי.

ניתן להשיג חסימה על ידי התאמת "תקע" מולקולרי למפעיל, ובכך למנוע את האינטראקציה שלו עם קואקטיביב, או על ידי פיתוי מפעיל להיצמד לדמה הדומה למקואקטיבי. ייצוב של קומפלקס עשוי להיות מושג על ידי פריסת מולקולות שיחזקו את האינטראקציה בין מפעילים ל- DNA או בין מפעילים ושותפים. גישות כאלה רחוקות כיום, אך מלהיב לשקול דגימה של היישומים שעשויים בסופו של דבר להיות אפשריים.

קחו למשל את נגיף החיסון האנושי (HIV) הגורם לאיידס. כדי להתרבות בתאים אנושיים, HIV זקוק לגורם השעתוק הנגיפי TAT כדי לשפר את התעתיק של גנים של HIV. אם ניתן היה לעכב TAT על ידי גורם כלשהו שזיהה TAT אך התעלם מגורמי שעתוק אנושיים, שכפול הנגיף עשוי להיפסק מבלי להשפיע על ייצור החלבונים הדרושים לחולה.

לעומת זאת, טיפול בהפרעות מסוימות - למשל, היפרכולסטרולמיה - עשוי לכלול שיפור תעתיק הגנים שנבחרו. היפר כולסטרולמיה מגביר את הסיכון לאדם למחלות לב. כולסטרול מצטבר לרמות הרסניות בדם כאשר ליפופרוטאין בצפיפות נמוכה (LDL), הידוע גם בשם הכולסטרול הרע, אינו מוסר ביעילות. בתיאוריה ניתן היה לתקן את המחלה על ידי הגדלת תמלול הגן לקולטן LDL בתאי כבד. קולטן זה מסייע לניקוי LDL מהדם. בקרוב ניתן יהיה לבדוק את הרעיון הזה מכיוון שמחקרים של מייקל ס. בראון וג'וזף ל 'גולדשטיין ממרכז מדע הבריאות של אוניברסיטת טקסס בדאלאס מקניטים את המרכיבים המולקולריים הספציפיים של המכשיר המווסת את תעתיק הגן הקולטן.

עד לאחרונה איש לא השקיע מאמצים רבים בסינון מולקולות קטנות, מוצרים טבעיים או תרכובות אחרות על יכולתם לווסת תמלול. למרות זאת, מספר תרופות שכבר נמצאות בשוק נמצאו במקרה לעבוד על ידי שינוי פעילות גורמי התעתיק. אחד מהם, RU 486 (הגלולה "הפלה" הצרפתית), מדחיק את תפקודם של קולטני סטרואידים מסוימים, סוג של מפעילים המכוונים התפתחות עוברית. באופן דומה, חומרי הדיכוי החיסוניים ציקלוספורין ו- FK506 מדכאים תעתיק של גן שתאי מערכת החיסון זקוקים למוצר החלבוני שלו. תרופות אלו פועלות בעקיפין. הם מפעילים אנזים המעכב את תפקודו של גורם שעתוק לגן.

ככל שעובר הזמן, ניתן יהיה לזהות את השילוב המדויק של גורמי תעתיק המווסתים גנים בודדים. ומפתחי תרופות ישתמשו ככל הנראה במידע זה בכדי לתכנן תרכובות מתוחכמות למלחמה בסרטן, מחלות לב, הפרעות חיסוניות, זיהומים נגיפיים, מחלת אלצהיימר ואולי אפילו תהליך ההזדקנות. עד כמה הסוכנים הללו יצליחו הוא ניחוש של מישהו, אך סביר להניח שטיפולי העתיד ייהנו בצורה כזו או אחרת ממחקר בסיסי למחקר תעתיק שהחל לא מתוך רצון לעצב תרופות אלא מתוך רצון פשוט. להגיע ללב המכונות המולקולריות השולטות בפעילות הגנים שלנו.