…. ez itt a kérdés! A Science Advances június 11-i számában G. Chandramouly és munkatársai kiváló cikket közöltek a DNS-polimeráz théta (Polθ; EC-szám: 2.7.7.7.7) vehemens reverz transzkriptáz (RNS-ről DNS-t átíró) működéséről, különös tekintettel annak a rák kialakulásában is szerepet játszó DNS-t átalakító hatására (1). Néhány nappal később az aminocoumarin-antibiotikum tipusú novobiocinról, mint első Polθ-gátlóról számoltak be a Nature lapjain, amely a homológ-rekombináció-hiányos tumorsejteket célozza, így terápiás jelentőséggel bír (2). A szerzők cikkükben jelentősen hozzájárulnak a Polθ katalitikus aktivitásának megvilágításához, amely más polimerázokhoz hasonlónak tűnik a többszörös hidrogénkötésektől és proton cseréktől való függésükben; ami ebben az esetben a templát ribóz 2′-hidroxilcsoportjaival történik. A legfontosabb, hogy a szerzők megvilágítják a vízmolekulák korábban nem egyértelmű szerepét az RNS-t, illetve DNS-t építő egységek (nukleotidok) beépülési sebességének szabályozásában a reakciót bevezető (pre-stacionárius) állapotban (3), ahol a proton “létszámot” (proton-inventory) vizsgáló kísérletek következetesen két proton átvitelét mutatták ki a reakció sebességét meghatározó ezen átmeneti állapotban, amit a humán immunhiányos vírus (HIV) reverz transzkriptáz enzimének esetében is leírtak. A Polθ tenyér (palm) alegységében egy “ökölszerű” fehérje hurok képződés látható egy sajátos ribóz 2′-hidroxil kölcsönhatásra a fő reakció-egység karbonil csoportjainak segítségével, amely nagy valószínűséggel egy vízmolekula felhasználásával történik.
Ez a vízmolekulák kiemelkedő szerepét jelzi az RNS-t, illetve DNS-t építő egységek, a nukleotidok beépülésének sebességi állandójának szabályozásában a reakció fentebb említett kezdeti pre-stacionárius állapotában, amire korábbi jelek csak utaltak, amikor a víz mint oldószer (D2O/H2O) 3 ± 0,5 (Mg2+) és 7 ± 2 (Mn2+) deutérium kinetikai izotóphatást mutatott az AMP beépülése közben 7,5 pH-nál (3). Az AMP beépülésének érintetlen kinetikai tulajdonságai a már beindult reakció további (steady-state) állapotában kizárták a teljes enzim szerkezeti (konformációs) zavarait, mint a vízoldószer-alapú deutérium izotóphatás okát, amelyet valamennyi RNS- és DNS-polimeráznál megfigyeltek (4). Mindez a sejten belüli deutérium mentes víz molekulákból történő zavartalan protonátvitel fontosságát jelzi az RNS/DNS szubsztrát/termék kapcsolat állandósult steady-state állapotához az RNS-ről történő DNS-másolatok előállítása során.
A fenti felfedezések két okból is fontosak, ugyanis A) az RNS- és DNS-polimerázok beindíthatóak, indukálhatók, különböző patogén és/vagy endogén eredetű hibás, vagy idegen nukleinsav-templát-szerkezet által (5), illetve B) majdnem minden RNS- (6) és DNS-templát-architektúra (7) jelentős deutériummal kapcsolatos szerkezeti állandósággal, stabilitással, így lebomlással szembeni ellenállással rendelkezik. Például a véletlenszerű nukleinsav beépülés, random integráció (RI) gyakran fordul elő a genom kettős szálú töréseinél (double strand breaks, DSB-k), ahol az ionizáló sugárzás és/vagy a virus interferencia a deutérium által közvetített genomiális stabilitással könnyen növeli ezen beépülések, integrációk gyakoriságát. Ez további vizsgálatokat tesz szükségessé annak megállapítására, hogy a deutenomika, azaz a deutérium megkülönböztetésének, biológiai és fizikai elkülönítésének, azaz kompartmentalizációjának és frakcionálásának orvosi tanulmányozása élő sejtekben befolyásolja-e a sugar- és/vagy génterápiák kockázatértékelését.
Úgy tűnik, hogy a Polθ enzim RNS-templát- és DNS-törésfüggősége is megérdemel egy közelebbi vizsgálatot annak érdekében, hogy megfejthessük ezek sejtátalakító hatásait stabil RNS-templátok átírása közben emlős sejtekkel végzett kísérletek során. Ribonukleinsav-minták, mint az mRNS, élettani körülmények között eredendően rövid életűek és ezen instabilitásuk foszfodiészter-kötéseik molekulán belüli (intramolekuláris) spontán hasadásának eredménye (8). A fiziológiás körülmények széles skáláján az RNS gyors és spontán lebomlása a genetikai anyag azonosságának, integritásának megőrzése érdekében történik, megakadályozva a Polθ fordított (RNS->DNA) transzkriptáz hatását a templát RNS-szubsztrát szabályozásának szintjén emlős sejtekben. Az RNS-molekulákat gyorsan lebontó és/vagy módosító további mechanizmusok, amelyek fokozzák kémiai lebomlásukat, instabilitásukat, a nukleáz eznimek, amelyek a nukleotidok közötti foszfodiészter kötések hasításában vesznek részt, és a ribozimek, amelyek a feldarabolásban, a splicingban vesznek részt.
A fenti ismeretek tükrében a Polθ enzim által végzett RNS-szekvenciák és -töredékek reverz transzkripciójához, azaz DNS-sé való átírásához, stabil ribonukleotid mintákra, templátokra van szükség. Ezek a deuterált vízzel terhelt rákos sejtekben állnak rendelkezésre azok deuterált metabolikus vízet képző glikolitikus aktivitása miatt a Warburg-anyagcsere során (9, 10), illetve mitokondriumaik károsodása révén, ami a Krebs-Szent-Györgyi-ciklus deutériumot csökkentő (deupletáló) protoncsere-reakcióit veszélyezteti (11). Egy nemrégiben közzétett cikk megerősíti az intracelluláris víz elsődleges atomi szerkezetének szerepét az euploiditással rendelkező emberi sejtek normál és rákos fenotípusai közötti átalakulás kiváltásában az aneuploidia irányába (12). Ezen átalakulás során pontos kvázielasztikus neutronszórásos kísérletek segítségével kimutatták, hogy a strukturált víz dinamikus rugalmasságának változása összefügg a rákbetegség kialakulásával, illetve meglétével.
Úgy tűnik, hogy a genetikailag tervezett gyógymódokhoz használt, nehéz vízzel készült, kémiailag módosított stabil DNS- és RNS-minták (13), valamint a deutériumban gazdag, epidemiológiai léptékű ipari szénhidrát alapú tápanyagok fogyasztása (14) mind szerkezeti változásokat válthatnak ki a Polθ tenyér (palm) alegységében, annak katalitikus helyein, aminek következtében a Polθ mértéktelen víz- és protonfüggősége kedvezőtlenül befolyásolhatja a rák előfordulását és kimenetelét. A Polθ bonyolult terner szerkezetét RNS primer-sablonokon a deutériumra érzékeny 2′-hidroxil és 3'-ribóz hidrogénkötésekkel való kölcsönhatások jellemzik és befolyásolják, ahol a deutérium kiválthatja a Polθ sablon hibás igazodását, így hozzájárulhat az enzim nagyobb RNS templát hűségéhez DNS szintézis közben (1).
A jövő genetikai beavatkozásainak és terápiáinak a Polθ-t szubsztrát- és deutériumot tartalmazó oldószertől, illetve anyagcsere környezettől is függő reverz transzkriptázként kell figyelembe venniük, amely stabil RNS-darabokat írhat át. Mindez jelentős hatással lehet a közeli jövő transzlációs és klinikai orvoslására.
IRODALOM
1. G. Chandramouly, J. Zhao, S. McDevitt, T. Rusanov, T. Hoang, N. Borisonni, T. Treddinick, F. W. Lopezcolorado, T. Kent, L. A. Siddique, J. Mallon, J. Huhn, Z. Shoda, E. Kashkina, A. Brambati, J. M. Stark, X. S. Chen, R. T. Pomerantz. Polθ reverse transcribes RNA and promotes RNA-templated DNA repair. Sci. Adv. (2021) 7, eabf1771, doi: 10.1126/sciadv.abf1771
2. J. Zhou, C. Gelot, C. Pantelidou, et al. A first-in-class polymerase theta inhibitor selectively targets homologous-recombination-deficient tumors. Nat. Cancer. (2021). https://doi.org/10.1038/s43018-021-00203-x
3. C. Castro, E. Smidansky, K. R. Maksimchuk, J. J. Arnold, V. S. Korneeva, M. Götte, W. Konigsberg, C. E. Cameron. Two proton transfers in the transition state for nucleotidyl transfer catalyzed by RNA- and DNA-dependent RNA and DNA polymerases. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. (2007) 104, 4267-72. doi: 10.1073/pnas.0608952104
4. C. Castro, E. D. Smidansky, J. J. Arnold, K. R. Maksimchuk, I. Moustafa, A. Uchida, M. Götte, W. Konigsberg, C. E. Cameron. Nucleic acid polymerases use a general acid for nucleotidyl transfer. Nat. Struct. Mol. Biol. (2009) 16(2), 212-8. doi: 10.1038/nsmb.1540
5. J. Rentergent, M. D Driscoll, S. Hay. 6. Time Course Analysis of Enzyme-Catalyzed DNA Polymerization. Biochemistry (2016) 55, 5622-5634. doi: 10.1021/acs.biochem.6b00442
6. B. Balasubramanian, W. K. Pogozelski, T. D. Tullius. DNA strand breaking by the hydroxyl radical is governed by the accessible surface areas of the hydrogen atoms of the DNA backbone. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. (1998) 95(17): 9738-43. doi: 10.1073/pnas.95.17.9738
7. B. Chen, E. R. Jamieson, T. D. Tullius. A general synthesis of specifically deuterated nucleotides for studies of DNA and RNA. Bioorg. Med. Chem. Lett. (2002) 12(21), 3093-6. doi: 10.1016/s0960-894x(02)00650-9
8. G. A. Soukup, R. R. Breaker. Relationship between internucleotide linkage geometry and the stability of RNA. RNA (1999) 5(10), 1308-25. doi: 10.1017/s1355838299990891
9. R. Mahar, P. L. Donabedian, M. E. Merritt. HDO production from [2H7]glucose Quantitatively Identifies Warburg Metabolism. Sci. Rep. (2020) 10(1), 8885. doi: 10.1038/s41598-020-65839-8
10. L. G. Boros, T. Q. Collins, E. A. Boros, F. Lantos, G. Somlyai. Deuterium and metabolic water matter – what this means biochemically and clinically. Sci. Adv. (2018) 4(8): eaat7314. https://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaat7314/tab-e-letters
11. L. G. Boros, D. P. D’Agostino, H. E. Katz, J. P. Roth, E. J. Meuillet, G. Somlyai. Submolecular regulation of cell transformation by deuterium depleting water exchange reactions in the tricarboxylic acid substrate cycle. Med. Hypotheses. (2016) 87: 69-74, doi: 10.1016/j.mehy.2015.11.016
12. M. P. M. Marques, A. L. M. Batista de Carvalho, A. P. Mamede, A. Dopplapudi, V. García Sakai, L. A. E. Batista de Carvalho. Role of intracellular water in the normal-to-cancer transition in human cells-insights from quasi-elastic neutron scattering. Struct. Dyn. (2020) 7(5), 054701. doi: 10.1063/4.0000021. eCollection
13. A. Sen, V. Balamurugan, K. K. Rajak, S. Chakravarti, V. Bhanuprakash, R. K. Singh. Role of heavy water in biological sciences with an emphasis on thermostabilization of vaccines. Expert. Rev. Vaccines. (2009) 8, 1587-602, doi: 10.1586/erv.09.105
14. L. G. Boros, T. Q. Collins, G. Somlyai. What to eat or what not to eat ‐ that is still the question. Neuro. Oncol. (2017) 19(4): 595-596, doi: 10.1093/neuonc/now284
from: SciAdv-eletter@highwire.org
to: "Boros László G." <contact@laszlogboros.com>
dátum: 2021. június 26., 9:47
tárgy: Köszönöm a Science Advances-re adott eLetter válaszát
mailed-by: auto-drupal-prod-web38.highwire.org
Article (citation): Chandramouly, Gurushankar et al "Polθ reverse transcribes RNA and promotes RNA-templated DNA repair." Science Advances 7.24 (2021): eabf1771. Web. 26 June. 2021 - https://advances.sciencemag.org/content/7/24/eabf1771 eLetters
To stabilize or not to stabilize RNA - that is still the question
BOROS, L.G., KRÜGER, T.P.J., LETOHA, T., TUSZYNSKI, J.A., DAVELAAR DORFSMAN, P., JAMES C. LECH, J.C.
