DNA: Η παρτιτούρα της ζωής !

Ευέγγελος Μουδριανάκης

Υποθέτω ότι οι τακτικοί αναγνώστες του «Βήμα Science» θα εκπλαγείτε αν σας πούμε ότι σήμερα θα σας γνωρίσουμε το πραγματικό DNA. Θα εκπλαγείτε δε ακόμη περισσότερο αν σας πληροφορήσουμε ότι πρόκειται για ένα μόριο το οποίο, ατόφιο, είναι ασύμβατο με τη ζωή! Προτού βιαστείτε όμως να βγάλετε συμπεράσματα για την ψυχική ισορροπία μας, παρακαλώ επιτρέψτε μας να σας εξηγήσουμε. 'Η, μάλλον, να σας γνωρίσουμε τον άνθρωπο που μας έδειξε τη συνήθως αθέατη πλευρά του DNA. Πρόκειται για τον καθηγητή βιολογίας και βιοφυσικής του Πανεπιστημίου Johns Hopkins κ. Ευάγγελο Μουδριανάκη, ο οποίος για περισσότερο από 40 χρόνια έχει εστιάσει το ενδιαφέρον του στο μόριο όπου είναι κωδικοποιημένη η γενετική πληροφορία. Σε πείσμα εκείνων που θεώρησαν ότι η αποκωδικοποίηση του ανθρωπίνου γονιδιώματος έθεσε μια ταφόπλακα στην έρευνα για το DNA ως βιολογικό μακρομόριο, ο κ. Μουδριανάκης και οι συνεργάτες του παρουσιάζουν αποτελέσματα που ανατρέπουν τη στατική εικόνα του πλέον αναγνωρίσιμου μορίου.

- Πώς θα περιέγραφε το DNA ένας άνθρωπος που το μελετά για περισσότερο από 40 χρόνια;

«Πολύ απλουστευτικά, θα μπορούσε κανείς να παρομοιάσει το DNA με την παρτιτούρα μιας μουσικής συμφωνίας. Βεβαίως, αυτή η παρτιτούρα έχει κάποιες ιδιαιτερότητες: εκτός από μια αλληλουχία συμβόλων (στην προκειμένη περίπτωση πρόκειται για τέσσερις βάσεις και όχι για επτά νότες) είναι και μια αλληλουχία συνισταμένων στερεοδομών, δηλαδή μια αλληλουχία ατόμων που επαναλαμβάνονται με καθορισμένη στερεοδιάταξη στον χώρο. Κάθε είδος οργανισμού που υπάρχει στον πλανήτη μας προκύπτει από την εκτέλεση της συμφωνίας που είναι γραμμένη στην κληρονομική παρτιτούρα των κυττάρων του. Περιττό να πούμε ότι για να απολαύσουμε μια οποιαδήποτε μουσική συμφωνία δεν αρκεί αυτή να είναι γραμμένη στο χαρτί, πρέπει και να παιχτεί. Αντιστοίχως, για να "ζωντανέψει" η μελωδία που υπάρχει κωδικοποιημένη στο DNA πρέπει να μεταφραστεί. Στην προκειμένη περίπτωση τα όργανα που θα δώσουν ζωή σε αυτή τη μελωδία είναι οι πρωτεΐνες».

- Η εξάρτηση του DNA από τις πρωτεΐνες για να "ζωντανέψει η μελωδία" του σας έχει κάνει να δηλώσετε ότι πρόκειται για μόριο ασύμβατο με τη ζωή;

«Οχι, όχι! Αναφερόμουν στο DNA ως χημικό μεγαλομόριο και στη σχέση του με τη ζωή. Από χημικής απόψεως, λοιπόν, δηλαδή στην πιο σκληρή υλιστική θεώρηση, η ζωή μπορεί να οριστεί ως συνεχής και επαναλαμβανόμενη ανακατανομή μάζας και ενέργειας. Ενα γυμνό μόριο DNA δεν είναι παρά ένας δύσκαμπτος (για να μην πω άκαμπτος) πολυ-ηλεκτρολύτης, ο οποίος καθόλου δεν βοηθά στην εν λόγω ανακατανομή. Συνδεόμενο όμως με τις πρωτεΐνες, το DNA μετατρέπεται σε έναν εύκαμπτο και μερικώς αποφορτισμένο ηλεκτρολύτη ο οποίος είναι συμβατός με την ενδοκυτταρική χωροταξία. Για να το πούμε πιο απλά, χάρη στην ύπαρξη πρωτεϊνών η διπλή έλικα του DNA αποκτά δομική πλαστικότητα και μπορεί "να πακετάρεται και να ξετυλίγεται" όταν υπάρχει ζωτική ανάγκη και έτσι αποκτά νέο και βιολογικά συμβατό δυναμικό».

- Οι πρωτεΐνες εξυπηρετούν μόνο την ανάγκη πλαστικότητας του DNA, ή έχουν και άλλους ρόλους;

«Σαφώς και έχουν: του προσφέρουν χωροταξική διαφοροποίηση, πράγμα απαραίτητο για τη διαφορική έκφραση του δυναμικού του στην πορεία του χρόνου ζωής ενός οργανισμού».

- Τι εννοείτε;

«Επιστρέφοντας στην παρομοίωση του γονιδιώματος ενός οργανισμού με την παρτιτούρα μιας μουσικής συμφωνίας και δεχόμενοι ότι η συμφωνία είναι γραμμένη σε ένα CD, αντιλαμβάνεστε ότι διαφορετικό μέρος της συμφωνίας πρέπει να παιχθεί στο ήπαρ και διαφορετικό στους πνεύμονες. Με άλλα λόγια, αν και όλα τα κύτταρα διαθέτουν όλη τη γενετική πληροφορία (το σύνολο δηλαδή του DNA) δεν αξιοποιούν από αυτήν παρά μόνο όση τους χρειάζεται για να επιτελέσουν την ειδική λειτουργία τους. Ετσι, άλλα γονίδια θα εκφραστούν στο ήπαρ που πρέπει να αποτοξινώσει τον οργανισμό μας και άλλα στους πνεύμονές μας που πρέπει να ανταλλάξουν τα αέρια της αναπνοής. Αυτή η διαφορική έκφραση των γονιδίων επιτυγχάνεται μέσω συγκεκριμένων πρωτεϊνών που προσδένονται σε συγκεκριμένα σημεία του γονιδιώματος. Πρέπει δε να πούμε ότι πρόκειται για συγκροτήματα ή "γειτονιές" πρωτεϊνών καθώς δεν είναι μόνο μία αλλά πολλές οι πρωτεΐνες που χρειάζεται να προσδεθούν στα παραπάνω σημεία».

- Υποθέτει κανείς ότι η καθοριστικής σημασίας πρόσδεση των πρωτεϊνών σε συγκεκριμένα σημεία δεν μπορεί να είναι τυχαία...

«Προφανώς, όχι! Η εκλεκτική πρόσδεση τω πρωτεϊνών στο DNA δεν επαφίεται τυφλά στην τύχη ή στην a priori "βούληση" των μορίων, αλλά εξαρτάται από την ανάπτυξη μοριακής συνεργατικότητας η οποία υπακούει σε θεμελιώδεις θερμοδυναμικούς κανόνες. Επιπροσθέτως, το γεγονός ότι πρόκειται για μοριακές γειτονιές και όχι για μεμονωμένα μόρια αυξάνει το δυναμικό εκλεκτικότητας της σύνδεσης».

- Πώς επιτυγχάνεται αυτή η μοριακή συνεργατικότητα; Πού έχει τις ρίζες της;

«Στην ταυτότητα των μορίων που αλληλεπιδρούν και στις εκάστοτε ιδιότητες του μικροπεριβάλλοντός τους. Θα μπορούσαμε να το δούμε αυτό καλύτερα αν πάρουμε την ιστορία από την αρχή: είπαμε ότι το DNA δεν είναι παρά ένας πολυ-ηλεκτρολύτης. Η δομική μονάδα του DNA είναι το νουκλεοτίδιο. Αυτό αποτελείται από μία φωσφορική ομάδα, ένα μόριο σακχάρου και μία βάση. Πολλά νουκλεοτίδια συνδεδεμένα γραμμικώς με απλούς ομοιοπολικούς δεσμούς μάς δίνουν μια αλυσίδα DNA από τον σκελετό της οποίας εξέχουν πλευρικά οι βάσεις. Το γεγονός ότι οι δομικοί λίθοι (τα νουκλεοτίδια δηλαδή) συνδέονται μεταξύ τους με απλούς δεσμούς παρέχει στο πολυμερές δυνητική ευκαμψία σαν ένα πολύσπαστο. Η αλυσίδα αυτή είναι αρνητικά φορτισμένη εξαιτίας της παρουσίας του φωσφόρου.

Δύο συμπληρωματικές αλυσίδες DNA σχηματίζουν τη γνωστή διπλή έλικα. Η διπλή έλικα μπορεί να περιγραφεί σαν μια περιστρεφόμενη σκάλα, της οποίας τα σκαλιά σχηματίζονται από τα ζευγάρια βάσεων των δύο αλυσίδων ενώ το βήμα της περιέλιξης είναι της τάξεως των περίπου δέκα νουκλεοτιδίων. Η διπλή έλικα σαν μεγαλομοριακό συγκρότημα είναι ιδιαιτέρως σταθερή. Αντίθετα με ό,τι θα πίστευε κανείς η σταθερότητά της δεν οφείλεται στους δεσμούς υδρογόνου (οι οποίοι και βέβαια εξασφαλίζουν την πιστότητα της αντιγραφής του DNA, είναι όμως πολύ ασθενείς ώστε να μπορούν αθροιστικά αυτοί και μόνο να σταθεροποιήσουν τη διπλοέλικα).

Η σταθερότητά της οφείλεται άμεσα και έμμεσα στα μόρια νερού που την πλαισιώνουν και τα οποία, αφενός προσδένονται εν μέρει με τα αρνητικά φωσφορικά φορτία και αφετέρου ωθούν τη "στοίβαξη" των βάσεων. Θα ξέρετε ότι αν μπορούσαμε να ξετυλίξουμε το DNA που υπάρχει στον πυρήνα ενός κυττάρου και να το τεντώσουμε, αυτό θα είχε μήκος περίπου δύο μέτρων. Αντιλαμβάνεστε ότι αυτό το μεγαλομόριο θα πρέπει να χωρέσει στον πυρήνα χωρίς να χάσει τη λειτουργικότητά του (χωρίς δηλαδή να εμποδίζεται η πρόσβαση στην πληροφορία που βρίσκεται κωδικοποιημένη σε αυτό, όταν και όπου αυτή απαιτείται). Στο πακετάρισμα του DNA στον πυρήνα συμμετέχουν πρωτεΐνες, αλλά και η τοπική αποσταθεροποίηση της διπλής έλικας σε ένα δεδομένο σημείο επιτυγχάνεται με την έλευση ή τη διαμόρφωση άλλων πρωτεϊνικών συγκροτημάτων».

- Υπήρξατε από τους πρωτοπόρους στη μελέτη του πακεταρίσματος του DNA, την οποία συνεχίζετε. Τι σας έχει αποκαλύψει αυτή η έρευνα;

«Οτι αντίθετα με ό,τι αφήνει να φανταστεί κανείς η λέξη "πακετάρισμα" κρύβει μια δυναμική κατάσταση, ο ελεγχόμενος κύκλος της οποίας καθιστά δυνατή την επιλεκτική έκφραση των γονιδίων. Θα γνωρίζετε ότι η διπλή έλικα τυλίγεται γύρω από ένα οκταμερές πρωτεϊνών που ονομάζονται ιστόνες και πως, αν δει κανείς στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο το περιελιγμένο στις ιστόνες DNA, αυτό μοιάζει με κολιέ από πέρλες. Καθένα από τα οκταμερή μπορεί να προσομοιωθεί με ένα καρούλι στου οποίου την επιφάνεια υπάρχουν αβαθείς αύλακες. Μέσα σε αυτές τις αύλακες χωρά το DNA. Εμείς αρχικά καταδείξαμε ότι υπό κατάλληλες εργαστηριακές συνθήκες είναι δυνατόν να "παροτρύνουμε" τη διπλοέλικα να περιελιχθεί στον χώρο με τον ίδιο τρόπο, απουσία όμως ιστονών! Αυτό το αναπάντεχο εύρημα υποδηλοί ότι η συγκεκριμένη περιέλιξη είναι ενδογενής ιδιότητα του DNA, η οποία για να εκδηλωθεί απαιτείται συγκεκριμένη θερμοδυναμική κατάσταση γύρω του. Με άλλα λόγια, στο εσωτερικό του κυττάρου οι ιστόνες καταλύουν την επίτευξη αυτής της ειδικής θερμοδυναμικής κατάστασης γύρω από τη διπλοέλικα. Αυτή, με τη σειρά της, εκδηλώνει το στερεοχημικό χαρακτήρα της που εναρμονίζεται με το νέο μικροπεριβάλλον της. Αποτέλεσμα είναι ο σχηματισμός νουκλεοσωμάτων (πέρλες) και χρωματίνης και έτσι αναδύεται το δυναμικό της γονιδιακής ρύθμισης».

- Η συγκριτική μελέτη ιστονών διαφορετικών οργανισμών είναι σύμφωνα με άρθρο σας αποκαλυπτική της σημασίας της τρισδιάστατης δομής τους στη λειτουργικότητά τους...

«Από πειράματα πολλών ερευνητών έχει διαπιστωθεί ότι αν και οι ιστόνες υπάρχουν σε όλους τους οργανισμούς δεν υπάρχει μεγάλη ομολογία μεταξύ τους σε επίπεδο αλληλουχίας αμινοξέων. Για την ακρίβεια, η ταύτιση αλληλουχιών αμινοξέων μεταξύ ιστονών προερχομένων από διαφορετικούς οργανισμούς είναι σχετικά χαμηλή. Για μόρια, τα οποία καλούνται να επιτελέσουν την ίδια ακριβώς λειτουργία και να προσδεθούν στον ίδιο πολυ-ηλεκτρολύτη, θα περίμενε κανείς πολύ μεγαλύτερη ομολογία.

Αυτό το απροσδόκητο, με πρώτη ματιά, χαρακτηριστικό των ιστονών εξηγείται εύκολα, αν εξετάσει κανείς την τρισδιάστατη δομή τους. Αυτό έγινε εφικτό, πρώτη φορά, το 1991 όταν η ερευνητική ομάδα μας, χρησιμοποιώντας κρυσταλλογραφικές μεθόδους, έλυσε τη δομή του οκταμερούς των ιστονών με ατομική ακρίβεια και αποκάλυψε την ιστονική πτυχή (histone fold). Το εύρημα ήταν ότι, ανεξαρτήτως αλληλουχίας, το κεντρικό μέρος όλων των ιστονών υιοθετεί την ίδια στερεοδιάταξη, δηλαδή την ιστονική πτυχή. Στην περίπτωση των ιστονών, λοιπόν, η φυσική επιλογή έδρασε σε επίπεδο τρισδιάστατης δομής και όχι αμινοξικής ακολουθίας και έτσι επιλέχθηκε το οκταμερές διότι οι ιδιότητες αυτο-συγκρότησής του επιτρέπουν την περιέλιξη του DNA κατά το ενεργειακό βέλτιστο. Το νουκλεοπρωτεϊνικό αυτό σύμπλοκο ευρίσκει δηλαδή το ενεργειακό του ελάχιστο».

- Είπαμε ότι το DNA έχει την τάση να περιελιχθεί με συγκεκριμένο τρόπο και πως το οκταμερές των ιστονών του παρέχει την κατάλληλη θερμοδυναμική κατάσταση για να επιτευχθεί αυτή η περιέλιξη, λειτουργώντας σαν καρούλι γύρω από το οποίο τυλίγεται το DNA-κλωστή. Πόσο δυναμικό μπορεί να είναι ένα καρούλι; Πόσο πλαστικό και πόσο στατικό;

«Το οκταμερές των ιστονών διαθέτει μοναδικές ικανότητες. Μακράν τού να είναι μια άκαμπτη σφαιρική δομή, αυτό αποτελείται από τρεις θερμοδυναμικές υπομονάδες, οι οποίες μέσω ανεξάρτητων χημικών αλλαγών και χάρη στη σχετική ευκολία αντιστρεπτής συναρμολόγησής τους τού παρέχουν τεράστια πλαστικότητα και δυνατότητες προσαρμογής στο άμεσο χημικό μικροπεριβάλλον. Η ύπαρξη της συγκεκριμένης πλαστικότητας αποτελεί την καλύτερη εξήγηση του φαινομένου που αναφέραμε παραπάνω και την καλύτερη απόδειξη ότι η φυσική επιλογή έδρασε σε επίπεδο στερεοδιάταξης: ένα άκαμπτο, μονολιθικό οκταμερές δεν θα μπορούσε να εξυπηρετεί τις ανάγκες λεπτής ρύθμισης του γονιδιακού δυναμικού και έτσι να επιβιώσει. Η επιλεγμένη πρωτεϊνική στερεοδιάταξη αποτελεί στην ουσία έναν αρθρωτό γονιδιακό ενδοσκελετό που λειτουργεί ταυτόχρονα ως υπόστρωμα αλλά και ως μεσολαβητής της γονιδιακής ρύθμισης».

- Στο πιο πρόσφατο πείραμά σας, χρησιμοποιήσατε υπολογιστές τεραστίων δυνατοτήτων προκειμένου να υπολογίσετε τις ατομικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ ιστονών και DNA. Τι έδειξε αυτή η μελέτη;

«Αυτό έγινε σε συνεργασία με την ερευνητική μονάδα του Dr. Angel Garcia στα εργαστήρια του Los Alamos. Για τη δουλειά αυτή χρειάστηκαν υπερ-υπολογιστές ένεκα του όγκου των δεδομένων που έπρεπε να χρησιμοποιηθούν και μόνο στο Los Alamos υπήρχαν αυτές οι δυνατότητες τότε. Το αποτέλεσμα της μελέτης αυτής, το οποίο προέκυψε έπειτα από τέσσερις μήνες συνεχών υπολογισμών στον υπερ-υπολογιστή, κατέδειξε ότι η δομή του νουκλεοσωματίου είναι άκρως πλαστική με χρόνο μετάπτωσης από μια κατάσταση στην άλλη κάτω από ένα nanosecond. Βέβαια, αυτές οι δομικές μεταπτώσεις είναι μικρού εύρους αλλά απόλυτα αναγκαίες για τη βιολογική λειτουργικότητά του.

Γενικό συμπέρασμα αυτής της εργασίας είναι ότι η θεμελιώδης υπομονάδα του γονιδίου, το νουκλεόσωμα, ευρίσκεται σε συνεχή επικοινωνία με το χημικό της μικροπεριβάλλον. Αυτό ανοίγει πολλές δυνατότητες για διατήρηση ευζωίας και για θεραπευτικές παρεμβάσεις στο μέλλον, αλλά αυτά θα τα αφήσουμε για μια άλλη συζήτηση». 

Της Ιωάννας Σουφλερη

Κυριακή 4 Φεβρουαρίου 2007