Pro biology všude je 25. dubna příznivá. Je to den DNA a připomíná datum v roce 1953, kdy vědci Francis Crick, Rosalind Franklin, James Watson a Maurice Wilkins publikovali klíčové vědecké práce popisující spirálovitou strukturu molekuly DNA. V roce 2003 bylo 25. dubna použito k oznámení dokončení projektu Human Genome. Nyní každoroční slavnosti v tento den oslavují molekulu života novými objevy. Jaký lepší čas poskytnout nový obrázek DNA.
Jsem DNA DAVE (nebo alespoň moje poznávací značka od roku 1984) a jedna z věcí, kterou moje laboratoř ráda dělá, je „vidět“ DNA. Snímáme DNA, abychom mohli přímo měřit věci, které je obtížné kvantifikovat pomocí nepřímých metod, které obvykle zahrnují sekvenování čtyř chemických jednotek DNA, nazývaných báze.
První odhalující obraz DNA pořízený rentgenovou difrakcí. (Raymond Gosling / King's College London) Chtěl bych například vědět, kde na každém chromozomu začíná proces replikace DNA. Bezchybná duplikace DNA je nezbytná pro produkci zdravých buněk. Pokud je tento proces neúplný nebo narušený, může výsledek způsobit rakovinu a jiná onemocnění.
Na našem obrázku není známé schodiště s dvojitou spirálou vidět, protože tato perspektiva je oddálená - jako při pohledu na mapu země versus město. Také každá z těchto molekul je ekvivalentní 50 000 zatáčkám spirálového schodiště - podstatného segmentu lidského chromozomu.
Vytvoření mapy DNA
Tento snímek pořízený zařízením zvaným Bionano Genomics Saphyr imager obsahuje jednotlivé molekuly DNA - barevné v modré, zelené a červené. Tyto prameny DNA byly zarovnány pomocí závitů přes úzké trubice - nazývané nanochannely -, které se vejdou pouze do jednoho kusu DNA. Jak DNA sklouzne do zkumavky, prameny se narovná.
Celá molekula DNA je zbarvena modře a zelené značky jsou orientační body - nebo specifické sekvence DNA, které se vyskytují v průměru každých 4 500 párů bází. Vzor orientačních bodů poskytuje jedinečný otisk prstu, který nám říká, kde jsme po délce chromozomu. Červené fluorescenční tečky značí místa, kde se DNA začala replikovat. Tyto weby se nazývají „počátky replikace“ a jsou místem, kde se DNA nejprve uvolní, aby mohl začít proces duplikace.
Vědci z Bionano Genomics v San Diegu vyvinuli tuto nanochannelovou technologii k mapování oblastí chromozomů, které byly jinak nezměnitelné, kvůli komplikovaným genetickým sekvencím, které ztěžují stanovení pořadí čtyř bází. Toto zařízení problém vyřešilo „pohledem“ na uspořádání sekvencí na jedné molekule najednou a je schopno odečíst 30 miliard párů bází za hodinu - ekvivalent 10 lidských genomů.
Můj tým a tým Nicka Rhinda z University of Massachusetts si uvědomili, že tato technologie nanočástic by nám umožnila provést experiment, který se nikdy předtím nepokusil: zmapovat všechna místa, kde replikace DNA začíná současně na milionech jednotlivých vláken DNA.
Předtím, než se buňka může rozdělit na dvě nezávislé buňky, musí si DNA vytvořit vlastní kopii, aby každá dostala kompletní sadu chromozomů. Abychom pochopili, jak se genetický materiál duplikuje, je nezbytné vědět, kde podél chromozomu proces začíná. To byla největší výzva ke studiu toho, jak probíhá replikace našich vlastních chromozomů a v důsledku toho, co se děje v mnoha nemocech, jako je rakovina, u nichž se replikace zhoršuje.
Replikace DNA a rakovina
Pokaždé, když se buňka dělí, musí se dvojitá spirála DNA duplikovat, aby oběma buňkám poskytla kopii genetických pokynů. (Soleil Nordic / Shutterstock.com) Počátky replikace byly nepolapitelné, protože se vyskytují na mnoha místech na různých molekulách, takže je musíme podívat na jednotlivé molekuly DNA, abychom je detekovali. Přestože vědci viděli jednotlivé molekuly DNA od počátku šedesátých let, nedokázali jsme zjistit, odkud v chromozomech pocházela žádná molekula, takže jsme nemohli nic zmapovat.
Kyle Klein, Ph.D. student v mé laboratoři, označené živé lidské kmenové buňky červenými fluorescenčními molekulami, které označovaly místa, kde probíhá replikace DNA, které byly mapovány pomocí zařízení Bionano. Tyto obrázky pak byly položeny na modré a zelené mapy DNA stejných molekul DNA.
Očekáváme, že tato metoda zcela změní naše chápání toho, jak se lidské chromozomy replikují. Vzhledem k tomu, že většina léků na chemoterapii pro léčbu rakoviny a většina karcinogenů - nebo chemických látek způsobujících rakovinu - v našem prostředí funguje tak, že útočí na DNA, když se replikuje, očekáváme, že tato metoda poskytne rychlý a komplexní test, jak tyto chemikálie narušují replikaci DNA. Také doufáme, že odhalí, jak bychom mohli zmírnit tyto negativní důsledky a jak bychom mohli vyvinout lepší a méně toxickou chemoterapii.
Tento článek byl původně publikován v The Conversation.
David M. Gilbert, profesor molekulární biologie, Florida State University
