Для всех биологов 25 апреля благоприятно. Это день ДНК, и он отмечает дату 1953 года, когда ученые Фрэнсис Крик, Розалинда Франклин, Джеймс Уотсон и Морис Уилкинс опубликовали основополагающие научные работы, описывающие спиральную структуру молекулы ДНК. В 2003 году 25 апреля было объявлено о завершении проекта «Геном человека». Теперь ежегодные гуляния в этот день празднуют молекулу жизни с новыми открытиями. Какое лучшее время, чтобы предоставить новую картину ДНК.
Я - ДНК Дэйв (или, по крайней мере, мой номерной знак с 1984 года), и одна из вещей, которые моя лаборатория любит делать, это «видеть» ДНК. Мы берем изображения ДНК, чтобы мы могли непосредственно измерить вещи, которые трудно количественно определить, используя косвенные методы, которые обычно включают в себя секвенирование четырех химических единиц ДНК, называемых основаниями.
Первое разоблачающее изображение ДНК, полученное с помощью рентгеновской дифракции. (Раймонд Гослинг / Королевский колледж Лондона) Например, я хотел бы знать, где на каждой хромосоме начинается процесс репликации ДНК. Безошибочное дублирование ДНК имеет важное значение для производства здоровых клеток. Когда этот процесс не завершен или нарушен, результат может вызвать рак и другие заболевания.
На нашем изображении знакомая лестница с двойной спиралью не видна, потому что эта перспектива уменьшена - как если бы вы смотрели на карту страны или города. Также каждая из этих молекул эквивалентна 50000 витков винтовой лестницы - существенного сегмента человеческой хромосомы.
Создание карты ДНК
На этом изображении, полученном с помощью устройства, называемого сканером Bionano Genomics Saphyr, представлены отдельные молекулы ДНК, окрашенные в синий, зеленый и красный цвета. Эти нити ДНК были выровнены, пронизывая их через узкие трубки - так называемые наноканалы - которые вмещают только один кусок ДНК. Когда ДНК проскальзывает в пробирку, нити распрямляются.
Вся молекула ДНК окрашена в синий цвет, а зеленые отметки являются ориентирами - или специфическими последовательностями ДНК, которые встречаются в среднем каждые 4500 пар оснований. Структура ориентиров обеспечивает уникальный отпечаток пальца, который говорит нам, где мы находимся по длине хромосомы. Красные флуоресцентные вспышки отмечают места, где ДНК начала размножаться. Эти сайты называются «источниками репликации», и именно там ДНК сначала раскручивается, чтобы можно было начать процесс дублирования.
Исследователи из Bionano Genomics в Сан-Диего разработали эту технологию наноканалов для картирования областей хромосом, которые в противном случае были бы несовместимы из-за хитрых генетических последовательностей, которые затрудняют определение порядка четырех оснований. Это устройство решило проблему, «посмотрев» на расположение последовательностей на одной молекуле за раз и способно считывать 30 миллиардов пар оснований за один час - эквивалент 10 геномов человека.
Моя команда и команда Ника Ринд из Университета Массачусетса признали, что эта технология наноканалов позволит нам провести эксперимент, который никогда не проводился ранее: составить карту всех мест, где репликация ДНК начинается одновременно на миллионах отдельных волокон ДНК.
Прежде чем клетка сможет разделиться на две независимые клетки, ДНК должна сделать свою копию, чтобы каждая получила полный набор хромосом. Чтобы понять, как дублируется генетический материал, важно знать, где вдоль хромосомы начинается процесс. Это было самой большой проблемой для изучения того, как происходит репликация наших собственных хромосом и, следовательно, что идет не так в таких многих заболеваниях, как рак, при которых репликация идет не так, как надо.
Репликация ДНК и рак
Каждый раз, когда клетка делит двойную спираль ДНК, она должна дублироваться, чтобы предоставить копию генетических инструкций обеим клеткам. (Soleil Nordic / Shutterstock.com) Происхождение репликации было неуловимым, потому что они встречаются во многих местах на разных молекулах, поэтому нам нужно посмотреть на отдельные молекулы ДНК, чтобы обнаружить их. Хотя ученые смогли увидеть отдельные молекулы ДНК с начала 1960-х годов, мы не могли сказать, откуда в хромосомах появилась какая-либо молекула, поэтому мы не могли ничего отобразить.
Кайл Кляйн, доктор философии студент из моей лаборатории обозначил живые человеческие стволовые клетки красными флуоресцентными молекулами, которые отмечали места, где происходила репликация ДНК, которые были картированы с помощью устройства Bionano. Эти изображения были затем наложены на синие и зеленые карты ДНК тех же молекул ДНК.
Мы ожидаем, что этот метод полностью изменит наше понимание того, как человеческие хромосомы реплицируются. Более того, поскольку большинство химиопрепаратов для лечения рака и большинство канцерогенов - или вызывающих рак химикатов - в нашей среде работают путем атаки ДНК при ее репликации, мы ожидаем, что этот метод обеспечит быстрый и всеобъемлющий тест на то, как эти химические вещества нарушают репликацию ДНК. Мы также надеемся, что это покажет, как мы могли бы смягчить эти негативные последствия и как мы могли бы разработать более эффективные и менее токсичные химиотерапевтические методы лечения.
Эта статья была первоначально опубликована на разговор.
Дэвид М. Гилберт, профессор молекулярной биологии, Университет штата Флорида
