За биолозите навсякъде 25 април е благоприятен. Това е Денят на ДНК и отбелязва датата през 1953 г., когато учените Франсис Крик, Розалинд Франклин, Джеймс Уотсън и Морис Уилкинс публикуваха семинални научни документи, описващи спиралната структура на молекулата на ДНК. През 2003 г. 25 април се използва за обявяване на завършването на проекта за човешкия геном. Сега на този ден годишните празненства празнуват молекулата на живота с нови открития. Какво по-добро време да предоставим нова картина на ДНК.
Аз съм DNA DAVE (или поне моята регистрационна табела от 1984 г. казва така) и едно от нещата, които моята лаборатория обича да прави, е да „видя“ DNA. Ние правим изображения на ДНК, така че да можем директно да измерваме неща, които са трудни за количествено измерване, като използваме индиректни методи, които обикновено включват последователност на четирите химични единици на ДНК, наречени бази.
Първото разкриващо изображение на ДНК, взето с помощта на рентгенова дифракция. (Реймънд Гослинг / King's College London) Например, бих искал да знам къде от всяка хромозома започва процесът на репликация на ДНК. Безпроблемно дублиране на ДНК е от съществено значение за производството на здрави клетки. Когато този процес е непълен или нарушен, резултатът може да причини рак и други заболявания.
На нашето изображение познатото стълбище с двойна спирала не се вижда, защото тази перспектива е намалена - като поглед върху картата на държава спрямо град. Също така всяка от тези молекули се равнява на 50 000 оборота на спиралното стълбище - съществен сегмент от човешка хромозома.
Направяне на карта на ДНК
Това изображение, направено с устройство, наречено изображение Bionano Genomics Saphyr, съдържа отделни молекули на ДНК - оцветени в синьо, зелено и червено. Тези нишки на ДНК са подравнени, като ги прокарват през тесни епруветки - наречени наноканали - които прилягат само на едно парче ДНК. Докато ДНК се плъзга в тръбата, нишките се изправят.
Цялата молекула на ДНК е оцветена в синьо, а зелените отметки са ориентири - или специфични последователности на ДНК, които се срещат средно на всеки 4500 базови двойки. Моделът на ориентирите осигурява уникален отпечатък, който ни показва къде сме по дължината на хромозома. Червените флуоресцентни клипове маркират местата, където ДНК е започнала да се възпроизвежда. Тези сайтове се наричат „първоизточници на репликация“ и са мястото, където ДНК първо се разгръща, за да може да започне процесът на дублиране.
Изследователи от Bionano Genomics в Сан Диего разработиха тази наноканална технология, за да начертаят региони на хромозоми, които иначе бяха невъзможни, поради сложни генетични последователности, които затрудняват определянето на реда на четирите основи. Това устройство решава проблема, като "гледа" подреждането на последователности върху една молекула наведнъж и е в състояние да чете 30 милиарда базови двойки за един час - еквивалентът на 10 човешки генома.
Моят екип и този на Ник Ранг от Университета в Масачузетс признаха, че тази технология за наноканали ще ни позволи да проведем експеримент, който никога не се е опитвал преди това: карта на всички места, където репликацията на ДНК започва едновременно върху милиони единични ДНК влакна.
Преди клетката да се раздели на две независими клетки, ДНК трябва да направи копие от себе си, така че всяка от тях да получи пълен набор от хромозоми. За да се разбере как се дублира генетичният материал е важно да се знае къде по протежение на хромозомата процесът започва. Това беше най-голямото предизвикателство да проучим как протича репликацията на нашите собствени хромозоми и следователно какво се обърква при толкова много заболявания, като рак, при които репликацията върви погрешно.
ДНК репликация и рак
Всеки път, когато клетка раздели двойната спирала на ДНК, трябва да се дублира, за да предостави копие на генетичните инструкции на двете клетки. (Soleil Nordic / Shutterstock.com) Произходът на репликацията е неуловим, тъй като се среща на много места в различни молекули, така че трябва да разгледаме единични молекули ДНК, за да ги открием. Въпреки че учените успяват да видят единични молекули на ДНК от началото на 60-те години, ние не можахме да кажем откъде в хромозомите идва една молекула, така че не можем да картографираме нищо.
Кайл Клайн, доктор на науките. студент в моята лаборатория, белязан с живи човешки стволови клетки с червени флуоресцентни молекули, които бележат места, където се осъществява репликацията на ДНК, които са картографирани с устройството Bionano. След това тези изображения се наслагват върху синята и зелената ДНК карта на същите молекули на ДНК.
Очакваме този метод напълно да трансформира разбирането ни за това как се репликират човешките хромозоми. Освен това, тъй като повечето химиотерапевтични лекарства за лечение на рак и повечето канцерогени - или причиняващи рак химикали - в нашата среда работят, като атакуват ДНК, когато се репликира, очакваме този метод да осигури бърз и всеобхватен тест за това как тези химикали нарушават репликацията на ДНК. Надяваме се също така да разкрие как бихме могли да облекчим тези негативни последици и как да развием по-добри и по-малко токсични химиотерапевтични лечения.
Тази статия първоначално е публикувана в The Conversation.
Дейвид М. Гилбърт, професор по молекулярна биология, Флоридския държавен университет
