Biologille kaikkialla 25. huhtikuuta on suotuisa. Se on DNA-päivä ja se viettää päivämäärää vuonna 1953, jolloin tutkijat Francis Crick, Rosalind Franklin, James Watson ja Maurice Wilkins julkaisivat tieteellisiä perustutkimuksia, joissa kuvataan DNA-molekyylin kierteinen rakenne. Vuonna 2003 25. huhtikuuta ilmoitettiin ihmisgenomiprojektin loppuun saattamisesta. Nyt tämän päivän vuotuiset juhlat juhlivat elämän molekyyliä uusilla löytöillä. Mikä olisi parempi aika antaa uusi kuva DNA: sta.
Olen DNA DAVE (tai ainakin rekisterikilpi vuodesta 1984 niin sanoo), ja yksi laboratorioni mielestäni tekemistä asioista on "nähdä" DNA. Otamme kuvia DNA: sta, jotta voimme mitata suoraan asioita, joita on vaikea kvantifioida käyttämällä epäsuoria menetelmiä, joihin yleensä sisältyy DNA: n neljän kemiallisen yksikön sekvensointi, nimeltään emäkset.
Ensimmäinen paljastava kuva DNA: sta, joka on otettu käyttämällä röntgendiffraktiota. (Raymond Gosling / King's College Lontoo) Haluaisin esimerkiksi tietää, mistä jokaisessa kromosomissa DNA-replikaation prosessi alkaa. DNA: n virheetön päällekkäisyys on välttämätöntä terveiden solujen tuottamiseksi. Kun tämä prosessi on epätäydellinen tai häiriintynyt, tulos voi aiheuttaa syöpää ja muita sairauksia.
Kuvassa tämä tuttu kaksinkertainen kierreportaikko ei ole näkyvissä, koska tämä näkökulma on loitontunut - kuten tarkastellaan maan karttaa vastaan kaupunkia. Myös kukin näistä molekyyleistä vastaa 50000 kierrosta kierreportaita - merkittävä osa ihmisen kromosomia.
DNA-kartan luominen
Tässä Bionano Genomics Saphyr -kuvaajassa otetussa kuvassa on yksittäisiä DNA-molekyylejä - värillisiä sinisellä, vihreällä ja punaisella. Nämä DNA-juosteet on kohdistettu kiertämällä ne kapeiden putkien - nanokanavien - läpi, jotka sopivat vain yhdelle DNA-kappaleelle. Kun DNA liukuu putkeen, säikeet suoristuvat.
Koko DNA-molekyyli on väriltään sinisenä ja vihreät rastimerkit ovat maamerkkejä - tai spesifisiä DNA-sekvenssejä, joita esiintyy keskimäärin joka 4500 emäsparia. Maamerkkien kuvio tarjoaa ainutlaatuisen sormenjäljen, joka kertoo meille missä olemme kromosomin pituudella. Punaiset loisteputket merkitsevät paikkoja, joissa DNA on alkanut replikoitua. Näitä kohtia kutsutaan ”replikaation aloiksi” ja ne ovat, missä DNA ensin rentoutuu, jotta päällekkäisyysprosessi voi alkaa.
San Diegon Bionano Genomics -yrityksen tutkijat kehittivät tätä nanokanavateknologiaa kartoittamaan kromosomialueita, jotka muuten olivat mahdoton muodostaa, johtuen hankalista geneettisistä sekvensseistä, jotka vaikeuttavat neljän emäksen järjestyksen määrittämistä. Tämä laite ratkaisi ongelman "tarkastelemalla" sekvenssien järjestelyjä yhdessä molekyylissä kerrallaan ja pystyy lukemaan 30 miljardia emäsparia tunnissa - mikä vastaa 10 ihmisen genomia.
Ryhmäni ja Nick Rhindin joukkue Massachusettsin yliopistossa tunnustivat, että tämä nanokanavatekniikka mahdollistaisi meille kokeilun, jota ei ole koskaan yritetty: kartoittaa kaikki paikat, joissa DNA: n replikaatio alkaa samanaikaisesti miljoonilla yksittäisillä DNA-kuiduilla.
Ennen kuin solu voi jakaa kahteen itsenäiseen soluun, DNA: n on tehtävä kopio itsestään, jotta jokainen saa täydellisen joukon kromosomeja. Jotta ymmärretään, kuinka geneettinen materiaali kopioidaan, on välttämätöntä tietää, missä kromosomissa prosessi alkaa. Se on ollut suurin haaste tutkittaessa, kuinka omien kromosomiemme replikaatio tapahtuu, ja näin ollen mikä menee pieleen niin monissa sairauksissa, kuten syöpä, jossa replikaatio menee pieleen.
DNA-replikaatio ja syöpä
Joka kerta kun solu jakaa DNA-kaksoiskierreen, sen on kopioitava itsensä, jotta se toimittaa kopion geneettisistä ohjeista molemmille soluille. (Soleil Nordic / Shutterstock.com) Replikaation alkuperät ovat olleet vaikeita, koska niitä esiintyy monissa kohdissa erilaisilla molekyyleillä, joten meidän on tutkittava yksittäisiä DNA-molekyylejä niiden havaitsemiseksi. Vaikka tutkijat ovat pystyneet näkemään yksittäisiä DNA-molekyylejä 1960-luvun alusta lähtien, emme voineet kertoa mistä kromosomeissa jokin molekyyli tuli, joten emme pystyneet kartoittamaan mitään.
Kyle Klein, tohtori Opiskelijani laboratoriossani, leimatut elävät ihmisen kantasolut punaisilla fluoresoivilla molekyyleillä, jotka merkitsivat paikkoja, joissa DNA: n replikaatio tapahtui, jotka kartoitettiin Bionano-laitteella. Nämä kuvat asetettiin sitten samojen DNA-molekyylien siniselle ja vihreälle DNA-kartalle.
Odotamme tämän menetelmän muuttavan täysin ymmärrystämme siitä, kuinka ihmisen kromosomit replikoituvat. Lisäksi koska useimmat syöpähoitoon tarkoitetut kemoterapialääkkeet ja useimmat syöpää aiheuttavat aineet - tai syöpää aiheuttavat kemikaalit - toimivat ympäristössä hyökkäämällä DNA: lle, kun se replikoituu, odotamme tämän menetelmän tarjoavan nopean ja kattavan testin siitä, kuinka nämä kemikaalit häiritsevät DNA: n replikaatiota. Toivomme myös, että se paljastaa kuinka voimme lievittää näitä kielteisiä seurauksia ja miten voimme kehittää parempia ja vähemmän myrkyllisiä kemoterapiahoitoja.
Tämä artikkeli on alun perin julkaistu keskustelussa.
David M. Gilbert, molekyylibiologian professori, Floridan osavaltion yliopisto
