Dla biologów na całym świecie 25 kwietnia jest pomyślne. Jest to Dzień DNA upamiętniający datę w 1953 r., Kiedy naukowcy Francis Crick, Rosalind Franklin, James Watson i Maurice Wilkins opublikowali przełomowe prace naukowe opisujące helikalną strukturę cząsteczki DNA. W 2003 r. 25 kwietnia wykorzystano do ogłoszenia zakończenia projektu Human Genome. Teraz coroczne święta tego dnia celebrują cząsteczkę życia dzięki nowym odkryciom. Jaki lepszy czas, aby zapewnić nowy obraz DNA.
Jestem DNA DAVE (lub przynajmniej moja tablica rejestracyjna od 1984 roku tak mówi), a jednym z rzeczy, które moje laboratorium lubi robić, jest „widzieć” DNA. Robimy zdjęcia DNA, abyśmy mogli bezpośrednio zmierzyć rzeczy, które są trudne do oszacowania za pomocą metod pośrednich, które zwykle obejmują sekwencjonowanie czterech chemicznych jednostek DNA, zwanych zasadami.
Pierwsze ujawniające zdjęcie DNA wykonane przy użyciu dyfrakcji rentgenowskiej. (Raymond Gosling / King's College London) Na przykład chciałbym wiedzieć, gdzie na każdym chromosomie rozpoczyna się proces replikacji DNA. Bezbłędna duplikacja DNA jest niezbędna do produkcji zdrowych komórek. Gdy proces ten jest niekompletny lub zakłócony, wynik może powodować raka i inne choroby.
Na naszym obrazie znane schody z podwójną helisą nie są widoczne, ponieważ ta perspektywa jest pomniejszona - jak spojrzenie na mapę kraju w porównaniu do miasta. Każda z tych cząsteczek odpowiada 50 000 zwojów spiralnej klatki schodowej - istotnego segmentu ludzkiego chromosomu.
Tworzenie mapy DNA
To zdjęcie, zrobione za pomocą urządzenia o nazwie imager Bionano Genomics Saphyr, przedstawia pojedyncze cząsteczki DNA - zabarwione na niebiesko, zielono i czerwono. Te nici DNA zostały wyrównane poprzez przeciągnięcie ich przez wąskie rurki - zwane nanokanałami - które pasują tylko do jednego kawałka DNA. Gdy DNA wślizguje się do rurki, nici prostują się.
Cała cząsteczka DNA ma kolor niebieski, a zielone znaczniki są punktami orientacyjnymi - lub specyficznymi sekwencjami DNA, które występują średnio co 4500 par zasad. Wzór punktów orientacyjnych zapewnia unikalny odcisk palca, który mówi nam, gdzie jesteśmy na długości chromosomu. Czerwone fluorescencyjne kropki oznaczają miejsca, w których DNA zaczął się replikować. Miejsca te nazywane są „początkami replikacji” i są miejscem, w którym DNA najpierw się rozwija, aby rozpocząć proces duplikacji.
Naukowcy z Bionano Genomics w San Diego opracowali tę technologię nanokanałową do mapowania regionów chromosomów, które w innym przypadku byłyby niemożliwe do zastosowania z powodu trudnych sekwencji genetycznych, które utrudniają określenie kolejności czterech zasad. To urządzenie rozwiązało problem, „przyglądając się” rozmieszczeniu sekwencji na jednej cząsteczce jednocześnie i jest w stanie odczytać 30 miliardów par zasad w ciągu jednej godziny - równowartość 10 ludzkich genomów.
Mój zespół i Nick Nicka Rhinda z University of Massachusetts uznali, że ta technologia nanokanałowa pozwoli nam przeprowadzić eksperyment, którego nigdy wcześniej nie próbowano: zmapuj wszystkie miejsca, w których replikacja DNA rozpoczyna się jednocześnie na milionach pojedynczych włókien DNA.
Zanim komórka będzie mogła podzielić się na dwie niezależne komórki, DNA musi wykonać swoją kopię, aby każda z nich otrzymała pełny zestaw chromosomów. Aby zrozumieć, w jaki sposób materiał genetyczny jest duplikowany, ważne jest, aby wiedzieć, gdzie wzdłuż chromosomu rozpoczyna się proces. To było największe wyzwanie w badaniu, w jaki sposób odbywa się replikacja naszych własnych chromosomów, a co za tym idzie, co dzieje się nie tak w wielu chorobach, takich jak rak, w których replikacja nie działa.
Replikacja DNA i rak
Za każdym razem, gdy komórka dzieli się, podwójna helisa DNA musi się powielić, aby zapewnić kopię instrukcji genetycznych obu komórkom. (Soleil Nordic / Shutterstock.com) Początki replikacji są nieuchwytne, ponieważ występują w wielu miejscach na różnych cząsteczkach, dlatego musimy przyjrzeć się pojedynczym cząsteczkom DNA, aby je wykryć. Chociaż naukowcy byli w stanie zobaczyć pojedyncze cząsteczki DNA od wczesnych lat 60. XX wieku, nie mogliśmy powiedzieć, skąd w chromosomach pochodziła jakaś cząsteczka, więc nie mogliśmy niczego zmapować.
Dr Kyle Klein student w moim laboratorium oznaczył żywe ludzkie komórki macierzyste czerwonymi cząsteczkami fluorescencyjnymi, które zaznaczyły miejsca, w których zachodzi replikacja DNA, które zostały zmapowane za pomocą urządzenia Bionano. Obrazy te zostały następnie nałożone na niebieskie i zielone mapy DNA tych samych cząsteczek DNA.
Oczekujemy, że ta metoda całkowicie zmieni nasze rozumienie replikacji ludzkich chromosomów. Ponadto, ponieważ większość leków stosowanych w chemioterapii do leczenia raka i większość czynników rakotwórczych - lub chemikaliów wywołujących raka - w naszym środowisku działa poprzez atakowanie DNA podczas replikacji, oczekujemy, że ta metoda zapewni szybki i kompleksowy test tego, w jaki sposób te chemikalia zakłócają replikację DNA. Mamy również nadzieję, że ujawni to, w jaki sposób możemy złagodzić te negatywne konsekwencje i jak opracować lepsze i mniej toksyczne chemioterapie.
Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation.
David M. Gilbert, profesor biologii molekularnej, Florida State University
