أنظمة ومسارات اصلاح DNA للبكتيريا المقاومة للإشعاع

ان تعرض الخلايا لجرع مهولة من الاشعاع يؤدي الى تدمير كبير الذي لا يكون محتملا من قبل الاحياء الاخرى، ولكن البكتريا D. radiodurans تستطيع التغلب عليها وهذا يعني ان هناك العديد من الانظمة والفعاليات التي تعيد الخلايا وتساعدها على الشفاء، ولكن بالرغم من وجود عدد كبير من جينات اصلاح DNA الا ان عدد قليل منها يظهر الفعالية. وأهم انظمة الإصلاح هي الإصلاح الاستئصالي Excision repair واصلاح تقابل القواعد Mismatch repair والاصلاح التأشبي. وتشارك العديد من البروتينات وفيما يلي مجمل للمكونات المشاركة في عمليات الإصلاح عند التعرض لإشعاعات مختلفة :

• بروتين recA ، فبعد التشعيع يزداد عدد من البروتينات ومنها هذه البروتينات والتي تلعب دورا مهما في مقاومة الاشعاع القوي، فهو ليس ضروريا عندما تكون جرع الاشعاع واطئة وعدد الكسور قليل حوالي 10 / كروموسوم أي عند استعمال جرع بحدود 100 كيلوراد وانما يتم تحفيزه بالاشعاع العالي اي أكثر من 100 كيلوراد لذا فهو لا يوجد في الخلايا التي لا تعاني من تدمير قاسي لـ DNA . والبروتين يشبه ذلك الموجود في E. coli بنسبة تصل الى 50% . وعند حصول طفرات في الجين recA تصبح الخلايا حساسة للأشعة فوق البنفسجية. ويقوم البروتين بتكوين خيوط على الاشرطة المفردة والمزدوجة ويشجع عمليات التبادل بين الاشرطة. كما ان له القابلية لتحليل (DNA-dependent ATPase) ATP بمدى واسع من الارقام الهيدروجينية.
• هناك مسارات لا تعتمد على recA وهو نظام يعمل مباشرة بعد تدمير DNA وقبل بدء التصليح الذي يقوم به recA المسار يمكن ان يصحح ثلث الكسور المتكونة والتي قد تصل الى 150 – 200 بعد التعرض للإشعاع، ثم يليه الإصلاح المعتمد على recA.
• من البروتينات التي تزداد وتساهم في التصليح بروتين uvrA الذي يعمل على استئصال النيوكلوتيدات، والانزيم uv endonuclease – β وهو انزيم بوزن جزيئي 35 كيلو دالتون يحوي على المنغنيز يتعرف على المركبات او المزدوجات الحلقية التي تتكون من قاعدتين ثايمين متجاوزة نتيجة التعرض للأشعة فوق البنفسجية ويقوم باستئصالها، وتكمل المهمة إنزيمات اخرى.
• انزيم Recombinase وهو إنزيم يساعد في اصلاح الكسور وينتج مع مكونات نظام recA.
• نظام الإصلاح الضوئي DNA photolyases يشارك في اصلاح وإزالة مزدوجات الثايمين المتكونة بعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية، ويقوم بفعالياته عند وجود الضوء المرئي، فوجود المزدوجات يؤدي الى موت الخلايا، وفي الاحياء التي هي عرضة لمثل هذه الاشعاعات فانها تحوي على أكثر من مسار ضوئي للإصلاح كما في الاركيا Sulfolobus acidocaldarius .
• تعد عمليات التأشب من الفعاليات الضرورية بعد التشعيع وتكون مهمة لمقاومة التدمير وتشمل استعمال انزيمات Recombinase و Helicases.
• لا تظهر الخلايا ظاهرة التطبع لعدد من الظروف المجهدة.
• اشتراك النظام المعتمد على عملية المثيلة في نظام اصلاح عدم تقابل القواعد Mismatch (MMR) repair الذي يشمل النظام mutL ATPases , mutS ATPases وانزيم (XesA) Endonuclease III وتحوي هذه الانظمة على انزيمات المثيلة Methylases التي تكون متخصصة الموقع ولا تشابه الموجود في البكتريا الاخرى.
• ومن الانزيمات الاخرى المشاركة والتي تستحث بالضرر الاشعاعي ATP – dependent DNA ligase الذي يتعاون مع بروتينات اخرى لإتمام عمليات الإصلاح في حين ان الانزيم الاصلي NAD – dependent DNA ligase يقل تحت ظروف الاشعاع.
• يتم حث العديد من ناقلات ABC لتساعد في تصدير نواتج التدمير التي تحصل اثناء مرحلة التنظيف.
• تحفيز عدد من الكاينزات.
• تشارك انزيمات Topoisomerases وهي مشابه لنظيراتها في الخلايا حقيقية النواة.
• تساهم انزيمات لف اشرطة DNA في عمليات التصليح، اذ يتم التعبير عن الوحدات الفرعية للإنزيم DNA gyrase.

وتشمل عمليات الإصلاح انزيمات اخرى تشارك فيها ومنها Uracil glycosylase , Thymine glycol glycosylase, Deoxyribophosphodiesterase , DNAP I و DNAP I يكون من الانزيمات الضرورية لمقاومة الاشعة فوق البنفسجية والاشعة المؤينة، اضافة الى حث بعض عوامل الانتساخ مثل عامل الاستطالة Tu . كما ان هناك بعض الجينات والبروتينات الناتجة يستمر حثها على طول عملية الشفاء ومنها بروتينات SSB  و 8- oxo – dGTPase و mutt ، اضافة الى حث مجموعة كبيرة من الجينات غير معروفة الدور.

اما نظام الاستغاثة SOS الذي يؤدي الى انتاج الطفرات لم تلاحظ له فعالية في الخلايا ولكن لا يعتقد انه غير موجود ولكن قد يكون فعالا عند استعمال جرع قليلة. والتي تؤدي الى زيادة المقاومة اللاحقة. وبما ان استجابة الاستغاثة قد لا تؤدي دائماً الى التطفير، ولذلك فعدم حدوث التطفير في D. radiodurans لا يعني ان الاستجابة غير موجودة.

اما الانظمة المؤدية الى حدوث الاخطاء Error – porne DNA repair فهي غير موجودة – او على الاقل لم تلاحظ – وهذا يؤدي الى عدم حدوث طفرات بعد الاشعاع المكثف بالأشعة فوق البنفسجية، والتي تؤدي في E. coli الى حدوث التطفير بمعدل 200 مرة. ومن الجدير بالذكر D. radiodurans لا تحوي على الجين Error – porne UmuC الذي يعد الاساس لاستجابة الاستغاثة في العديد من البكتريا، ويمكن عند حصول استجابة الاستغاثة فالبكتريا يمكن ان يستعمل انظمة مشابه اذ انها تشفر لبروتين Lex A وهو لا يشبه الموجود في البكتريا الاخرى.

وبهذه الشبكة المعقدة والانظمة بشكل دقيق تستطيع الخلايا التخلص من تأثير الاشعاعات لتبدأ حياتها ثانية، فالأنزيمات المشاركة في الايض العام لا تتأثر أثناء عملية الشفاء ولكن يتم حثها بشكل اكبر في المرحلة النهائية استعدادا الاستئناف عمليات النمو التي توقفت ثم يتم التعبير عن الجينات الموجودة في مكونات جينوم الخلايا ولكن بترتيب معين، اذ تكون البداية مع البلازميد الصغير، ثم البلازميد الكبير ثم الكروموسوم الثاني ثم الكروموسوم الكبير والرئيس.

اما الحامض النووي RNA فهو يتضرر أيضاً بشكل كبير بالتشعيع، لذلك تقوم بعض البروتينات بتفكيك الجزيئات المدمرة وتستحث الجينات المسئولة عنه في الطور التمهيدي وتستمر اثناء عمليات الشفاء وان كان بعضها يكبح في الطور المتوسط.

وتقوم الخلايا المشععة بإحباط الاجهاد التأكسدي بشكل كبير وربما كان ذلك محاولة من الخلايا للتغلب على الإجهادات الاضافية التي تؤثر على الجينوم للمحافظة عليه. وقد لوحظ انه في الطور المبكر والمتوسط لعمليات الشفاء وعندما يكون الطلب على الطاقة على أوجه لدفع العمليات التخليقية والاصلاحية تقوم الخلايا بكبح دورة TCA خصوصاً الخطوات المولدة للـ O₂^-.

وتحاول الخلايا تقليل الطلب على الطاقة اللازمة للتخليق بحث الناقلات الغشائية لنقل البيبتيدات الخارجية وغيرها من مواد الايض التي تعتمد عليها عمليات مقاومة الاشعاع، كما انها تزيد من التعبير عن البروتينات والانزيمات المحللة للحوامض النووية، لذلك فان التخليق الجديد de novo للحوامض الامينية والنيوكلوتيدات ومرافقات الانزيمات تبقى بمستوى واحد او يقل على الاقل في الطور المبكر والمتوسط من أطوار الإصلاح. ويساعد في ذلك حث دورة Glyoxylate بقوة للتزويد بالعديد من المركبات الوسطية اللازمة لعمليات الشفاء بدون توليد الجذور الحرة. ومن أهم الجينات المستحثة في هذا المجال هو Transaconitate methylase وهو الجين الاكثر حثا في المراحل المبكرة من الشفاء. والمركب Transaconitate هو ليس مادة ايض طبيعية في العديد من البكتريا وانما هو موهن للأنزيم Aconitase الانزيم الرئيس في دورة TCA ويعتقد ان Transaconitate ينتج عند التشعيع. وان حث الجين الخاص بـ Transaconitate methylase يكون لازما لإزالة سمية Transaconitate.

وأثناء الطور المتأخر يبدأ حث دورة TCA ببطيء وكذلك يحث مسار EMP ثم بعد ذلك تزداد ويكون ذلك مرافقا لحث جينات الانزيمات الخاصة بكبح الجذور الحرة مثل sodA , katA.

اما من ناحية تكوين الطاقة فقد تقدم ان البكتريا تستعمل نظام V-type ATPase الذي يوفر طاقة اكبر والتي يزداد عليها الطلب أثناء عمليات الشفاء، وتزداد عمليات تخليق الجدار الخلوي وكذلك الغشاء الخلوي وهذا متوقع والأخير يساعد في الحصول على ATP اللازم لعمليات النمو.

اما الجينات المسئولة عن ايض النتروجين وكذلك الكاربوهيدرات الخارجية والداخلية فكلها يتم حثها في أوقات متأخرة. والجينات الخاصة بأيض الكبريت فلا تطرأ عليها زيادة لأنها تكون محثوثة بمستويات جيدة وتبقى كذلك طول مدة الشفاء التي تصل ذروتها بين 3 – 5 ساعات.

المصادر

الخفاجي , زهرة محمود (2008) . التقنية الحيوية الميكروبية (توجهات جزيئية ) . معهد الهندسة الوراثية والتقنية الحيوية . جامعة بغداد .