Catenated DNA Enforces Sister Chromatid Cohesion

في كل مرة تنقسم فيها خلية بشرية لتنشئ خليتين جديدتين، يجب عليها القيام بعملية تتطلب دقة فائقة: يجب عليها تقسيم مادتها الوراثية، وهي الحمض النووي (DNA)، إلى نصفين متطابقين تماماً. هذه العملية، المعروفة باسم الانقسام المتساوي (mitosis)، هي محرك النمو والترميم في الجسم. وإذا فشلت الآلية، فقد تحصل الخلايا الناتجة على عدد زائد أو ناقص من الكروموسومات، وهي حالة تسمى "تعدد الصيغ الصبغية" (aneuploidy). هذا الخلل هو سمة مميزة للسرطان ويمكن أن يؤدي إلى اضطرابات نمو. ولمنع هذه الفوضى، تعتمد الخلية على غراء جزيئي يسمى معقد "الكوسين" (cohesin complex). هذا البروتين الذي يشبه الحلقة يمسك خيطي الحمض النووي المنسوخين حديثاً، واللذين يسميان "الكروماتيدات الشقيقة"، بقوة من لحظة تكوينهما حتى اللحظة الأخيرة من الانقسام. لعقود من الزمن، اعتقد العلماء أن هذا الغراء البروتيني هو القوة الوحيدة التي تمسك الشقيقتين معاً، وأنه في اللحظة التي تصبح فيها الخلية جاهزة للانقسام، يقوم إنزيم ببساطة بقطع الغراء، مما يسمح للشقيقتين بالانفصال بفعل الهيكل الداخلي للخلية.

ومع ذلك، فإن دراسة جديدة من باحثين في جامعة كوبنهاغن تتحدى هذا المنظور الذي ساد طويلاً. فقد اكتشفوا أن الغراء البروتيني ليس كافياً بمفرده لإبقاء الشقيقتين معاً ضد قوى السحب القوية للخلية. بدلاً من ذلك، تكون خيوط الحمض النووي متشابكة جسدياً مع بعضها البعض، مثل حلقات في سلسلة. هذه التشابكات، المعروفة باسم "الكاتينانات" (catenanes)، تعمل كقفل فيزيائي ثانوي يعمل جنباً إلى جنب مع الغراء البروتيني. ووجد الباحثون أنه حتى لو تم قطع الغراء البروتيني، فلن تنفصل الشقيقتان إذا ظلت تشابكات الحمض النووي هذه سليمة. وفقط عندما تقوم آلية الخلية بفك تشابك روابط الحمض النووي هذه، يمكن للشقيقتين أن تفترقا أخيراً. يشير هذا الاكتشاف إلى أن الخلية تستخدم نظام قفل مزدوج لضمان عدم انقسام المادة الوراثية قبل الأوان، وهو اكتشاف يعيد تشكيل فهمنا لكيفية حفاظ الخلايا على استقرارها الوراثي.

تبدأ قصة هذا الاكتشاف بلغز ظل عالقاً في علم بيولوجيا الخلية لفترة من الوقت. فعندما ينظر العلماء إلى الخلايا تحت المجهر قبيل انقسامها مباشرة، غالباً ما يرون الكروماتيدات الشقيقة ملقاة قريبة جداً من بعضها البعض، تكاد تتلامس، في تكوين يشبه قضبان السكة الحديدية. ورغم أن الغراء البروتيني الذي يمسكهما معاً قد تم قطعه في بعض الظروف التجريبية، إلا أن الشقيقتين لا تطيران بعيداً كما هو متوقع، بل تظلان مرتبطتين بعناد. أدى هذا الملاحظة إلى دفع الباحثين لافتراض وجود شيء آخر يمسكهما معاً. فقد اشتبهوا في أن خيوط الحمض النووي نفسها متشابكة. تخيل حبلين طويلين ومرنين قد لُفّا حول بعضهما البعض مرات عديدة؛ حتى لو قطعت الشريط الذي يمسكهما جنباً إلى جنب، فإن الالتواءات نفسها ستجعلهما متصلين حتى تقوم بفك التواءهما بنشاط. في الخلية، هذه الالتواءات هي "الكاتينانات"، وقد سعى الباحثون لإثبات أنها ضرورية لإبقاء الشقيقتين معاً.

لاختبار هذه الفكرة، قام الفريق بهندسة خلايا بشرية تحمل نسخة خاصة من بروتين "الكوسين". تحتوي هذه النسخة على نقطة ضعف محددة يمكن قطعها بواسطة إنزيم مصمم خصيصاً يسمى "بروتياز TEV". قام الباحثون بتنمية هذه الخلايا ثم أدخلوا الإنزيم لقطع غراء "الكوسين" بينما كانت الخلايا في منتصف عملية الانقسام. في الخلايا التي سُمح فيها للاشتباكات الحمض النووية بأن تُحل طبيعياً، انفصلت الشقيقتان فور قطع الغراء، مما أكد نجاح عمل الإنزيم. ومع ذلك، اتبع الباحثون نهجاً مختلفاً؛ حيث قاموا بعزل الكروموسومات من هذه الخلايا وقطعوا الغراء في أنبوب اختبار، ولكن دون وجود آلية الخلية الطبيعية لفك تشابك الحمض النووي. وحتى بعد تدمير الغراء تماماً، ظلت الكروماتيدات الشقيقة ملتصقة ببعضها البعض. ولم تنفصل إلا عندما أضاف الباحثون قوة ميكانيكية، مثل الرج العنيف، أو عندما أضافوا إنزيماً يمكنه قطع الحمض النووي نفسه. قدمت هذه التجربة أول دليل مباشر على أن الغراء البروتيني وحده غير كافٍ لإبقاء الشقيقتين معاً ضد الإجهاد الفيزيائي؛ إذ إن تشابكات الحمض النووي هي التي تقوم بالعمل الشاق.

ثم نظر الباحثون عن كثب في هذه التشابكات داخل الخلايا الحية. وحددوا هياكل أطلقوا عليها اسم "روابط السنترومير الشقيقة"، وهي الاتصالات الفيزيائية بين نصفي الكروموسوم عند نقطتهما المركزية. وباستخدام التصوير عالي الدقة، رأوا أن هذه الروابط مغلفة ببروتين محدد يسمى "PICH"، وهو معروف بارتباطه بالحمض النووي الممدد. كما وجدوا أن إنزيماً يسمى "توبويزوميراز II" (Topoisomerase II)، المسؤول عن فك تشابك الحمض النووي، موجود في هذه المواقع. والأهم من ذلك، لاحظوا أن هذه الروابط لا تختفي إلا عندما يسحب هيكل الخلية الداخلي، وهو "المغزل"، الكروموسومات بقوة. وعندما منع الباحثون نشاط إنزيم فك التشابك باستخدام عقار يسمى "ICRF-193"، رفضت الشقيقتان الانفصال، حتى بعد قطع الغراء البروتيني. لقد قام العقار أساساً بقفل تشابكات الحمض النووي في مكانها، مما منع الخلية من الانقسام. وفي المقابل، فإن عقاراً آخر يكسر الحمض النووي مؤقتاً ولكنه يسمح بإعادة اتصاله لم يمنع الانفصال. أثبت هذا أن السلامة الفيزيائية لتشابكات الحمض النووي، وليس مجرد وجود الإنزيم، هي العامل الحاسم.

كما استكشفت الدراسة ما يحدث عندما تُجبر الخلية على الانتظار لفترة طويلة جداً في منتصف الانقسام. عادةً، إذا علقت الخلية في هذه المرحلة، فإن الغراء البروتيني يتآكل في النهاية، وهي ظاهرة تُعرف باسم "إجهاد التماسك" (cohesion fatigue)، وتنفصل الشقيقتان قبل الأوان. وجد الباحثون أنه عندما منعوا إنزيم فك التشابك، استطاعت الخلايا البقاء في مرحلة الانتظار هذه لفترة أطول بكثير دون أن تنفصل الشقيقتان. لقد عملت تشابكات الحمض النووي كنظام احتياطي، حيث أبقت الشقيقتين معاً لفترة طويلة بعد فشل الغراء البروتيني. وعلى العكس من ذلك، عندما استخدموا عقاراً يضعف تشابكات الحمض النووي، انفصلت الشقيقتان بسرعة أكبر من المعتاد. أكد هذا أن التشابكات ليست مجرد نتاج عرضي لعملية تضاعف الحمض النووي، بل هي مكون نشط ومقاوم للقوة.

ولعل الدليل الأكثر إثارة جاء من تجربة استخدم فيها الباحثون أداة جزيئية تسمى "كريسبر" (CRISPR) لقطع الحمض النووي تحديداً في المواقع التي يُعرف بوجود هذه التشابكات فيها. لقد استهدفوا تسلسلاً معيناً من الحمض النووي يوجد في مركز الكروموسومات. وعندما قطعوا هذا الحمض النووي في الخلايا التي تمت إزالة الغراء البروتيني منها بالفعل، انفصلت الشقيقتان على الفور، حتى مع وجود منع لإنزيم فك التشابك. أظهر هذا أن الاتصال الفيزيائي للحمض النووي نفسه كان الحاجز النهائي الذي يمسك الشقيقتين معاً. وبمجرد كسر هذا الحاجز، لم تعد الشقيقتان قادرتين على مقاومة قوى السحب الناتجة عن الخلية.

إن تداعيات هذا العمل كبيرة لفهمنا لكيفية عمل الخلايا. فهي تشير إلى أن الخلية قد طورت نظام أمان مزدوج الأجزاء لضمان عدم انقسام الكروموسومات مبكراً. يوفر الغراء البروتيني قفلاً كيميائياً منظماً يمكن إيقافه في الوقت المناسب، بينما توفر تشابكات الحمض النووي قفلاً فيزيائياً يقاوم القوى الهائلة المتولدة أثناء الانقسام. لا تطلق الخلية هذا القفل الثاني إلا عندما تكون مستعدة، باستخدام قوة السحب من المغزل لتوجيه إنزيم فك التشابك للقيام بعمله. وإذا فشل هذا النظام، فإن النتيجة تكون التوزيع غير المتساوي للكروموسومات، وهو محرك رئيسي للسرطان. ومن خلال الكشف عن أن تشابك الحمض النووي (DNA catenation) هو لاعب نشط وحاسم في هذه العملية، فقد صحح الباحثون افتراضاً ساد طويلاً في هذا المجال. لقد أثبتوا أن انفصال الكروماتيدات الشقيقة ليس مجرد مسألة قطع حلقة بروتينية، بل هو حدث ميكانيكي معقد يلعب فيه الحالة الفيزيائية للحمض النووي نفسه دوراً حاسماً. يساعد هذا النموذج الجديد في تفسير سبب فشل بعض الخلايا في الانقسام بشكل صحيح ويقدم منظوراً جديداً للميكانيكا الأساسية للحياة.