Igal pool bioloogide jaoks on 25. aprill soodne. On DNA päev ja sellega mälestatakse kuupäeva 1953. aastal, mil teadlased Francis Crick, Rosalind Franklin, James Watson ja Maurice Wilkins avaldasid seminari teaduslikud ettekanded, milles kirjeldati DNA molekuli spiraalset struktuuri. 2003. aastal teatati inimgenoomi projekti lõpuleviimisest 25. aprillil. Nüüd tähistavad sellel päeval toimuvad iga-aastased pidustused elu molekuli uute avastustega. Mis oleks parem aeg uue pildi saamiseks DNA-st.
Olen DNA DAVE (või vähemalt nii ütleb minu numbrimärk alates 1984. aastast) ja üks asi, mida minu labori teha meeldib, on DNA “nägemine”. Teeme DNA-st pilte, et saaksime otseselt mõõta asju, mida on keeruline kvantifitseerida, kasutades kaudseid meetodeid, mis tavaliselt hõlmavad DNA nelja keemilise ühiku, mida nimetatakse alusteks, järjestamist.
Esimene paljastav DNA pilt, mis on tehtud röntgendifraktsiooni abil. (Raymond Gosling / Kingi kolledž London) Näiteks tahaksin teada, kus igas kromosoomis algab DNA replikatsiooni protsess. Tervete rakkude tootmiseks on oluline veatu DNA dubleerimine. Kui see protsess on puudulik või häiritud, võib tulemus põhjustada vähki ja muid haigusi.
Meie pildil pole see tuttav topeltheeliksiga trepp nähtav, kuna see vaatenurk on välja suumitud - nagu vaadates riigi ja linna kaarti. Ka need molekulid vastavad 50 000 spiraalse trepi pöördele - inimese kromosoomi olulisele osale.
DNA kaardi koostamine
Sellel pildil, mis on tehtud seadmega Bionano Genomics Saphyr, on üksikud DNA molekulid - sinise, rohelise ja punase värviga. Need DNA ahelad on joondatud, keermestades neid kitsaste torude kaudu - nn nanokanalid -, mis sobivad ainult ühe DNA tükiga. Kui DNA libiseb torusse, siis ahelad sirguvad.
Terve DNA molekul on siniseks värvitud ja rohelised linnukesed on orientiirid - või spetsiifilised DNA järjestused, mis esinevad keskmiselt iga 4500 aluspaari kohta. Maamärkide muster annab ainulaadse sõrmejälje, mis annab meile teada, kus me kromosoomi pikkuses oleme. Punased fluorestsentskatted märgistavad kohti, kus DNA on hakanud replitseeruma. Neid saite nimetatakse “replikatsiooni alguspunktiks” ja nendes kohtades DNA kõigepealt lahti kerib, et dubleerimise protsess saaks alata.
San Diegos asuva Bionano Genomicsi teadlased arendasid seda nanokanalitehnoloogiat, et kaardistada kromosoomide piirkonnad, mis muidu olid mitteloetavad, keerukate geneetiliste järjestuste tõttu, mis muudavad nelja aluse järjekorra kindlaksmääramise keeruliseks. See seade lahendas probleemi, "vaadates" järjestusi ühel molekulil korraga ja on võimeline lugema ühe tunni jooksul 30 miljardit aluspaari - mis vastab 10 inimese genoomile.
Minu meeskond ja Nick Rhindi meeskond Massachusettsi ülikoolis tõdesid, et see nanokanalitehnoloogia võimaldab meil läbi viia eksperimendi, mida kunagi varem pole proovitud: kaardistada miljonites üksikutes DNA kiududes kõik asukohad, kus DNA replikatsioon algab.
Enne kui rakk saab jagada kaheks iseseisvaks rakuks, peab DNA tegema ise koopia, nii et igaüks neist saaks terve komplekti kromosoome. Geneetilise materjali dubleerimise mõistmiseks on oluline teada, kus kromosoomis protsess algab. See on olnud suurim väljakutse uurides, kuidas toimub meie enda kromosoomide replikatsioon ja mis juhtub valesti nii paljude haiguste puhul nagu vähk, mille korral replikatsioon läheb valesti.
DNA replikatsioon ja vähk
Iga kord, kui rakk jagab DNA topeltheeliksi, peab ta end dubleerima, et saada mõlemale rakule geneetiliste juhiste koopia. (Soleil Nordic / Shutterstock.com) Replikatsioonide päritolu on olnud vaevaline, kuna neid leidub erinevatel molekulidel paljudes kohtades, mistõttu peame nende tuvastamiseks uurima üksikuid DNA molekule. Ehkki teadlased on 1960. aastate algusest alates suutnud näha üksikuid DNA molekule, ei osanud me öelda, kust kromosoomides mõni molekul pärit on, nii et me ei saanud midagi kaardistada.
Kyle Klein, doktorikraad minu labori õpilane, märgistatud elusad inimese tüvirakud punaste fluorestsentsmolekulidega, mis tähistasid Bionano seadmega kaardistatud asukohad, kus toimus DNA replikatsioon. Seejärel asetati need kujutised samade DNA molekulide sinisesse ja rohelise DNA kaardile.
Eeldame, et see meetod muudab täielikult meie arusaama sellest, kuidas inimese kromosoomid replitseeruvad. Pealegi, kuna enamik vähiravis kasutatavaid keemiaravi ravimeid ja enamik kantserogeene - või vähki põhjustavaid kemikaale - töötab meie keskkonnas, rünnates DNA-d, kui see replitseerub, loodame, et see meetod pakub kiiret ja põhjalikku testi selle kohta, kuidas need kemikaalid häirivad DNA replikatsiooni. Samuti loodame, et see näitab, kuidas me saaksime neid negatiivseid tagajärgi leevendada ning kuidas saaksime välja töötada paremaid ja vähem toksilisi keemiaravi meetodeid.
See artikkel avaldati algselt lehel The Conversation.
Florida osariigi ülikooli molekulaarbioloogia professor David M. Gilbert
