Για τους βιολόγους παντού, 25 Απριλίου είναι ευοίωνο. Είναι η Ημέρα του DNA και μνημονεύει την ημερομηνία το 1953 όταν οι επιστήμονες Francis Crick, Rosalind Franklin, James Watson και Maurice Wilkins δημοσίευσαν επιστημονικές εργασίες που περιγράφουν την ελικοειδή δομή του μορίου DNA. Το 2003, η 25η Απριλίου χρησιμοποιήθηκε για να ανακοινώσει την ολοκλήρωση του έργου του ανθρώπινου γονιδιώματος. Τώρα οι εορταστικές εκδηλώσεις κάθε μέρα γιορτάζουν το μόριο της ζωής με νέες ανακαλύψεις. Τι καλύτερος χρόνος για να δώσετε μια νέα εικόνα του DNA.
Είμαι DNA DAVE (ή τουλάχιστον η πινακίδα κυκλοφορίας μου από το 1984 το λέει έτσι) και ένα από τα πράγματα που μου αρέσει το εργαστήριο είναι να "δουν" το DNA. Λαμβάνουμε εικόνες DNA έτσι ώστε να μπορούμε άμεσα να μετρήσουμε πράγματα που είναι δύσκολο να ποσοτικοποιηθούν χρησιμοποιώντας έμμεσες μεθόδους που συνήθως περιλαμβάνουν την αλληλούχιση των τεσσάρων χημικών μονάδων του DNA, που ονομάζονται βάσεις.
Η πρώτη αποκαλυπτική εικόνα του DNA που λαμβάνεται χρησιμοποιώντας περίθλαση ακτίνων Χ. (Raymond Gosling / King's College, Λονδίνο) Για παράδειγμα, θα ήθελα να μάθω πού σε κάθε χρωμόσωμα αρχίζει η διαδικασία αντιγραφής του DNA. Η αναπαραγωγή του DNA χωρίς σφάλματα είναι απαραίτητη για την παραγωγή υγιών κυττάρων. Όταν η διαδικασία αυτή είναι ελλιπής ή διακοπεί, το αποτέλεσμα μπορεί να προκαλέσει καρκίνο και άλλες ασθένειες.
Κατά την άποψή μας, η γνωστή σκάλα διπλής έλικας δεν είναι ορατή, διότι αυτή η προοπτική σμικρύνεται -όπως κοιτάζοντας τον χάρτη μιας χώρας έναντι μιας πόλης. Επίσης, κάθε ένα από αυτά τα μόρια είναι ισοδύναμο με 50.000 στροφές της ελικοειδούς σκάλας - ένα σημαντικό τμήμα ενός ανθρώπινου χρωμοσώματος.
Κάνοντας ένα χάρτη του DNA
Αυτή η εικόνα, που λαμβάνεται με μια συσκευή που ονομάζεται απεικόνιση Bionano Genomics Saphyr, διαθέτει μεμονωμένα μόρια DNA - χρώματος μπλε, πράσινου και κόκκινου χρώματος. Αυτά τα κλώσματα του DNA έχουν ευθυγραμμιστεί με το σπείρωμα τους μέσα από στενούς σωλήνες - που ονομάζονται nanochannels - που ταιριάζουν μόνο σε ένα κομμάτι του DNA. Καθώς το ϋΝΑ γλιστρά στο σωλήνα, οι κλώνοι ισιώνουν.
Το όλο μόριο ϋΝΑ είναι χρώματος μπλε και τα πράσινα σημάδια είναι ορόσημα - ή συγκεκριμένες αλληλουχίες ϋΝΑ που εμφανίζονται κατά μέσο όρο σε κάθε 4.500 ζεύγη βάσεων. Το πρότυπο των ορόσημων παρέχει ένα μοναδικό αποτύπωμα που μας λέει πού είμαστε κατά μήκος ενός χρωμοσώματος. Τα κόκκινα φθορίζοντα μπιπ επισημαίνουν τις θέσεις όπου το DNA έχει αρχίσει να αναπαράγεται. Αυτές οι τοποθεσίες ονομάζονται "προέλευση της αναπαραγωγής" και είναι όπου το DNA ξετυλίγεται πρώτα έτσι ώστε να ξεκινήσει η διαδικασία αλληλεπικάλυψης.
Οι ερευνητές της Genomics Bionano στο Σαν Ντιέγκο ανέπτυξαν αυτή την τεχνολογία nanochannel για να καταγράψουν περιοχές χρωμοσωμάτων που διαφορετικά δεν ήταν εφικτές, λόγω των περίπλοκων γενετικών αλληλουχιών που δυσκολεύουν τον προσδιορισμό της τάξης των τεσσάρων βάσεων. Αυτή η συσκευή λύνει το πρόβλημα με την "αναζήτηση" στη διάταξη αλληλουχιών σε ένα μόριο κάθε φορά και είναι σε θέση να διαβάσει 30 δισεκατομμύρια ζεύγη βάσεων σε μία ώρα - το ισοδύναμο 10 ανθρώπινων γονιδιωμάτων.
Η ομάδα μου και αυτή του Nick Rhind στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης αναγνώρισε ότι αυτή η τεχνολογία nanochannel θα μας επιτρέψει να διεξαγάγουμε ένα πείραμα που ποτέ δεν επιχειρήθηκε πριν: χαρτογραφήσει όλες τις θέσεις όπου η αντιγραφή DNA αρχίζει ταυτόχρονα σε εκατομμύρια μοναδικές ίνες DNA.
Πριν ένα κύτταρο μπορεί να χωριστεί σε δύο ανεξάρτητα κύτταρα, το DNA πρέπει να κάνει ένα αντίγραφο του εαυτού του έτσι ώστε ο καθένας να λάβει ένα πλήρες σύνολο χρωμοσωμάτων. Για να κατανοήσουμε πώς αντιγράφεται το γενετικό υλικό είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε πού ξεκινά η διαδικασία κατά μήκος του χρωμοσώματος. Αυτή ήταν η μεγαλύτερη πρόκληση για να μελετήσουμε τον τρόπο με τον οποίο γίνεται η αναπαραγωγή των δικών μας χρωμοσωμάτων και, συνεπώς, τι συμβαίνει σε τόσες πολλές ασθένειες, όπως ο καρκίνος, στις οποίες ο αναδιπλασιασμός πηγαίνει στραβά.
DNA Replication και Καρκίνος
Κάθε φορά που μια κυψέλη διαιρείται, η διπλή έλικα του DNA πρέπει να διπλασιαστεί για να παράσχει ένα αντίγραφο των γενετικών οδηγιών και στα δύο κύτταρα. (Soleil Nordic / Shutterstock.com) Οι αρχές του αναδιπλασιασμού είναι ασαφείς επειδή εμφανίζονται σε πολλές θέσεις σε διαφορετικά μόρια, οπότε πρέπει να εξετάσουμε μόρια μονού ϋΝΑ για να τα ανιχνεύσουμε. Παρόλο που οι επιστήμονες μπόρεσαν να δουν μόρια μονού ϋΝΑ από τις αρχές της δεκαετίας του 1960, δεν μπορούσαμε να πούμε πού από τα χρωμοσώματα προήλθε κάποιο μόριο, έτσι δεν μπορούσαμε να χαρτογραφήσουμε τίποτα.
Ο Kyle Klein, Ph.D. φοιτήτρια στο εργαστήριό μου, επισημασμένα ζωντανά ανθρώπινα βλαστοκύτταρα με κόκκινα φθορίζοντα μόρια που σηματοδότησαν θέσεις όπου πραγματοποιήθηκε αναδιπλασιασμός DNA, οι οποίες χαρτογραφήθηκαν με τη συσκευή Bionano. Αυτές οι εικόνες στη συνέχεια υπερκαλύφθηκαν πάνω στους μπλε και πράσινους χάρτες DNA των ίδιων μορίων ϋΝΑ.
Αναμένουμε ότι αυτή η μέθοδος θα μεταμορφώσει εντελώς την αντίληψή μας για το πώς αντιγράφονται τα ανθρώπινα χρωμοσώματα. Επιπλέον, δεδομένου ότι τα περισσότερα φάρμακα χημειοθεραπείας για θεραπεία καρκίνου και τα περισσότερα καρκινογόνα - ή χημικές ουσίες που προκαλούν καρκίνο - στο περιβάλλον μας επιτίθενται με DNA κατά την αναπαραγωγή, αναμένουμε ότι αυτή η μέθοδος θα παρέχει μια ταχεία και περιεκτική δοκιμασία για το πώς αυτές οι χημικές ουσίες διαταράσσουν την αναπαραγωγή DNA. Ελπίζουμε επίσης να αποκαλύψει πώς μπορούμε να μετριάσουμε αυτές τις αρνητικές συνέπειες και πώς μπορούμε να αναπτύξουμε καλύτερες και λιγότερο τοξικές θεραπείες χημειοθεραπείας.
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στην Η συζήτηση.
David M. Gilbert, Καθηγητής Μοριακής Βιολογίας, Πανεπιστήμιο της Φλώριδας
