Ученые выявили десятки тысяч загадочных «узлов» в ДНК человека, которые могут играть ключевую роль в контроле активности генов. Раскрыта активность 4-цепочечной ДНК в живых клетках. Создана синтетическая ДНК с четырьмя дополнительными буквами. ДНК скручивается в странные формы, чтобы втиснуться в клетки.
Ученые выявили десятки тысяч загадочных «узлов» в ДНК человека, которые могут играть ключевую роль в контроле активности генов. По словам исследователей, стоящих за этой работой, знание точного местоположения этих узлов, известных как «i-мотивы», может привести к разработке новых методов лечения заболеваний, включая рак.
ДНК состоит из строительных блоков, называемых нуклеотидами, каждый из которых несет одно из следующих оснований: аденин, гуанин, тимин или цитозин. Эти основания являются отдельными буквами, составляющими код ДНК. ДНК имеет лестничную структуру, и обычно основания на одной стороне лестницы образуют пару с партнером на другой стороне, соединяясь в середине, образуя ступеньки лестницы. Аденин образует пару с тимином, а гуанин — с цитозином.
Однако иногда цитозины могут образовывать пары друг с другом, а не с гуанином. Это заставляет молекулу ДНК скручиваться сама с собой, создавая четырехцепочечную, выступающую структуру, называемую i-мотивом.
Исследователи впервые обнаружили i-мотивы в клетках человека в 2018 году. В то время они подозревали, что эти узлы могут быть важными регуляторами генома, помогая контролировать, какие гены включены или выключены. Однако до сих пор было мало известно о том, где именно находятся эти узловатые структуры и сколько их в геноме человека.
В новом исследовании, опубликованном 29 августа в The EMBO Journal, исследователи картировали 50 000 i-мотивов. Эти i-мотивы расположены по всему геному, но обычно они встречаются в участках ДНК, которые контролируют активность генов, отметили авторы исследования.
В новом исследовании ученые картировали 50 000 узловидных структур в ДНК, известных как «i-мотивы». KEITH CHAMBERS/SCIENCE PHOTO LIBRARY
«Наши результаты подтверждают, что i-мотивы — это не просто лабораторная диковинка, а широко распространенное явление, которое, вероятно, играет ключевую роль в функционировании генома», — заявил в своем заявлении Дэниел Крайст, соавтор исследования и директор Центра таргетной терапии при Институте медицинских исследований Гарвана в Австралии.
Крайст и коллеги обнаружили i-мотивы в ДНК, извлеченной из человеческих клеток в лаборатории. Они определили эти узлы с помощью антител, разработанных для специфического распознавания и образования комплексов с i-мотивами. Затем команда очистила эти комплексы антител и узлов, чтобы секвенировать ДНК внутри них.
«Мы обнаружили, что i-мотивы связаны с генами, которые очень активны в определенные периоды клеточного цикла», — сказал в заявлении Кристиан Дэвид Пенья Мартинес, ведущий автор исследования и научный сотрудник Garvan. Клеточный цикл — это процесс, посредством которого клетки реплицируются в организме.
«Это говорит о том, что они играют динамическую роль в регуляции активности генов», — добавил Пенья Мартинес.
Команда также обнаружила i-мотивы в «промоторных» областях различных генов, связанных с раком. Промоторы — это тип генетического материала, который включает и выключает данный ген, подобно выключателю света. В раковых клетках эти гены могут стать нерегулируемыми, что приводит к усиленному делению клеток и росту, характерному для опухолей.
Это новое открытие намекает на то, что i-мотивы могут однажды стать мишенью для лекарств от рака, предположила команда. Они обнаружили i-мотивы в семействе генов MYC, активность которых, как известно, нарушается примерно в 70% случаев рака у человека.
«Это представляет собой захватывающую возможность для таргетирования генов, связанных с болезнями, через структуру i-мотивов», — сказал Пенья Мартинес. Конечно, необходимы дополнительные исследования, чтобы перевести эту идею из теории в практику у пациентов с раком.
Раскрыта активность 4-цепочечной ДНК в живых клетках. Две тонкие нити, скрученные вместе в спиральную спираль – это знаковая форма молекулы ДНК. Но иногда ДНК может образовывать редкую четверную спираль, и эта странная структура может играть роль в таких заболеваниях, как рак.
Не так много известно об этих четырехцепочечных ДНК, известных как G-квадруплексы, — но теперь ученые разработали новый способ обнаружения этих странных молекул и наблюдения за тем, как они ведут себя в живых клетках. В исследовании, опубликованном 8 января 2021 года в журнале Nature Communications, команда описала, как определенные белки заставляют G-квадруплекс распутываться; в будущем их работа может привести к появлению новых лекарств, которые захватывают четырехцепочечную ДНК и нарушают ее активность. Лекарства могут вмешиваться, например, когда странная ДНК способствует росту раковой опухоли.
«Все больше доказательств того, что G-квадруплексы играют важную роль в самых разных процессах, жизненно важных для жизни, а также в ряде заболеваний», — говорится в заявлении автора исследования Бена Льюиса с химического факультета Имперского колледжа Лондона.
В целом, G-квадруплексы возникают в раковых клетках гораздо чаще, чем в здоровых клетках, согласно заявлению. Различные исследования связывают наличие четырехцепочечной ДНК с быстрым делением раковых клеток, процессом, который приводит к росту опухоли; поэтому ученые выдвинули гипотезу, что воздействие на странную ДНК с помощью лекарств может замедлить или остановить это необузданное деление клеток. Некоторые исследования уже поддерживают эту идею.
G-квадруплексы. Имперский колледж Лондона
«Но недостающим звеном было получение изображений этой структуры непосредственно в живых клетках», — сказал Льюис. Другими словами, ученым нужен был лучший способ наблюдать за этими молекулами ДНК в действии. Новое исследование начинает восполнять эти недостающие знания.
G-квадруплексы могут образовываться либо когда одна двухцепочечная молекула ДНК сворачивается сама на себя, либо когда несколько цепей ДНК соединяются в одной нуклеиновой кислоте, известной как гуанин — один из строительных блоков ДНК, согласно Discover Magazine. Чтобы обнаружить эту необычную ДНК в клетках, команда использовала химическое вещество под названием DAOTA-M2, которое испускает флуоресцентный свет при связывании с G-квадруплексами. Вместо того чтобы просто измерять яркость света, которая меняется в зависимости от концентрации молекул ДНК, команда также отслеживала, как долго светит свет.
Отслеживание того, как долго свет задерживался, помогло команде увидеть, как различные молекулы взаимодействуют с четырехцепочечной ДНК в живых клетках. Когда молекула зацеплялась за цепочку ДНК, она вытесняла светящийся DAOTA-M2, заставляя свет гаснуть быстрее, чем если бы химикат оставался на месте. Используя эти методы, команда идентифицировала два белка, называемых геликазами, которые раскручивают цепочки четырехцепочечной ДНК и запускают процесс их расщепления.
Они также идентифицировали другие молекулы, связывающиеся с ДНК; будущие исследования этих молекулярных взаимодействий могут помочь ученым разработать препараты, связывающиеся с ДНК.
«Многие исследователи интересовались потенциалом молекул, связывающих G-квадруплекс, как потенциальных лекарств от таких заболеваний, как рак», — сказал в заявлении Рамон Вилар, профессор медицинской неорганической химии в Империале. «Наш метод поможет нам продвинуться в понимании этих потенциальных новых лекарств».
Исследователи создали синтетическую ДНК, используя четыре дополнительные молекулы, так что полученный продукт имел код, состоящий из восьми букв, а не из четырех. С увеличением количества букв эта ДНК приобрела гораздо большую емкость для хранения информации. Ученые назвали новую ДНК «hachimoji» — что означает «восемь букв» на японском языке — расширяя предыдущую работу разных групп, которые создали похожую ДНК, используя шесть букв.
Исследование, опубликованное 20 февраля 2019 года в журнале Science, подтверждает последнее предположение: недавно ученые сформировали новый тип ДНК с элегантной структурой двойной спирали и обнаружили, что она обладает свойствами, которые могут поддерживать жизнь.
Природная ДНК состоит из четырех молекул, называемых азотистыми основаниями, которые соединяются друг с другом, образуя код жизни на Земле: A связывается с T; G связывается с C. ДНК Хатимодзи включает эти четыре природных основания, а также еще четыре синтетических нуклеотидных основания: P, B, Z и S.
Исследовательская группа, в которую вошли несколько разных команд по всей территории США, создала сотни этих двойных спиралей Хачимодзи с различными комбинациями природных и синтетических пар нуклеотидных оснований. Затем они провели серию экспериментов, чтобы выяснить, обладают ли различные двойные спирали свойствами, необходимыми для поддержания жизни.
У естественной ДНК есть отличительное свойство, которого, похоже, нет ни у одной другой генетической молекулы: она стабильна и предсказуема. Это означает, что исследователи могут точно рассчитать, как она будет вести себя при определенных температурах и средах, включая то, когда она начнет деградировать.
Но оказалось, что исследователи смогли сделать то же самое и с ДНК Хатимодзи — они смогли разработать набор правил, которые могут предсказать стабильность ДНК при воздействии на нее различных температур.
Исследователи разработали в лаборатории новый тип ДНК, который состоит из восьми букв вместо естественных четырех. Милли Георгиадис, Медицинская школа Университета Индианы
Но создать ДНК, которая хранит информацию, недостаточно. Она также должна иметь возможность передавать эту информацию своей родственной молекуле РНК, чтобы эта РНК могла затем инструктировать белки выполнять все дела в организме.
Имея это в виду, исследователи разработали синтетические ферменты — белки, которые облегчают реакцию — которые успешно скопировали ДНК Хачимодзи в РНК Хачимодзи. Более того, они обнаружили, что молекула РНК способна сворачиваться в своего рода L-образную форму, которая необходима для дальнейшей передачи информации.
Кроме того, цепи ДНК должны иметь возможность скручиваться в одну и ту же трехмерную структуру — знаменитую двойную спираль.
Команда создала три кристаллические структуры ДНК Хатимодзи, каждая из которых имела различную последовательность из восьми пар оснований, и обнаружила, что каждая из них действительно образовывала классическую двойную спираль.
Тем не менее, для того, чтобы ДНК Хачимодзи поддерживала жизнь, есть пятое требование, сказал Беннер. То есть, она должна быть самоподдерживающейся или иметь возможность выживать самостоятельно. Однако исследователи не стали исследовать этот шаг, чтобы не допустить превращения молекулы в биологическую опасность, которая однажды могла бы проникнуть в геномы организмов на Земле.
Помимо того, что эта восьмибуквенная цепочка ДНК может дать представление об альтернативах жизни в космосе, она также имеет применение на нашей планете. Генетический алфавит из восьми букв будет хранить больше информации и связываться с определенными целями более конкретно, сказал Беннер. Например, ДНК Хачимодзи может использоваться для связывания с клетками рака печени или токсинами сибирской язвы, или использоваться для ускорения химических реакций.
«При увеличении количества букв с шести до восьми разнообразие последовательностей ДНК значительно увеличивается», — написал в электронном письме Ичиро Хирао, синтетический молекулярный биолог из Института биоинженерии и нанотехнологий A*STAR в Сингапуре, который также не принимал участия в исследовании. (Однако группа Хирао также принимала участие в предыдущем исследовании, в ходе которого были созданы шестибуквенные цепи ДНК)
Конечно, «это всего лишь первая демонстрация» двойной спирали ДНК из восьми букв, и для практического использования нам нужно улучшить точность и эффективность репликации и транскрипции в РНК, сказал Хирао в электронном письме. Он предполагает, что в конечном итоге они смогут наращивать число букв до еще большего.
В 2021 году ученые сняли видео высокого разрешения, на котором видно, как ДНК принимает странные формы, чтобы протиснуться внутрь клеток.
В 1952 году Розалинд Франклин получила первую косвенную фотографию ДНК , изучая, как рентгеновские лучи отражаются от этих фундаментальных молекул. Но только в 2012 году ученые получили прямую фотографию ДНК с помощью электронного микроскопа. Теперь группа исследователей в Соединенном Королевстве засняла видео высокой четкости ДНК в движении, используя комбинацию передовой микроскопии и моделирования.
Человеческие клетки содержат около 6,6 футов (2 метров) ДНК. Учитывая, что человеческие клетки имеют порядок микрометров, ДНК должна быть действительно хороша в «суперспирализации» или изгибании и складывании себя, чтобы плотно упаковываться внутри клетки. Но до недавнего времени технологии были недостаточно хороши для ученых, чтобы ясно увидеть, как выглядит структура ДНК в состоянии суперспирализации, пишут авторы в исследовании.
Чтобы ответить на этот вопрос, авторы нового исследования обратились к «мини-кольцам ДНК», изолированным и сконструированным из бактерий. Эти кольцевые структуры ДНК также встречаются в клетках человека, и их функция в значительной степени неизвестна. Исследователи использовали эти кольцевые структуры, потому что ученые могут скручивать их таким образом, который не сработал бы с длинными цепями, наиболее распространенной формой ДНК, согласно заявлению.
ДНК. Университет Лидса
Чтобы детально рассмотреть движения, исследователи использовали комбинацию моделирования на суперкомпьютере и атомно-силовой микроскопии, при которой острый наконечник скользит по поверхности молекулы и измеряет силы, отталкивающие наконечник, чтобы очертить структуру.
«Увидеть — значит поверить, но с таким маленьким объектом, как ДНК, увидеть спиральную структуру всей молекулы ДНК было чрезвычайно сложно», — сказала в заявлении ведущий автор исследования Элис Пайн, преподаватель полимеров и мягких веществ в Университете Шеффилда в Великобритании, которая записала новые кадры. «Видеоролики, которые мы разработали, позволяют нам наблюдать за скручиванием ДНК на уровне детализации, который никогда ранее не наблюдался».
Изображения микроскопа были настолько подробными, что они могли видеть двойную спиральную структуру ДНК. После того, как исследователи объединили эти изображения с симуляциями, они смогли увидеть положение каждого отдельного атома в ДНК по мере ее движения, согласно заявлению.
Интересно, что ДНК в расслабленной форме почти не двигалась. Но при скручивании — как это обычно происходит при вдавливании в клетку — ДНК трансформировалась во множество других форм, согласно заявлению. Эти различные формы влияли на то, как молекула ДНК взаимодействовала и связывалась с другими молекулами ДНК вокруг нее, пишут авторы в статье.
Линн Зехидрих, профессор Медицинского колледжа Бейлора в Хьюстоне, штат Техас, предоставившая мини-кольца для исследования, ранее открыла, как использовать эти кольцевые структуры в качестве векторов для генной терапии, вставляя в кольца небольшие генетические сообщения.
Ученые, проводившие исследование, «разработали методику, которая в мельчайших подробностях показывает, насколько они сморщены, пузырчаты, изогнуты, денатурированы и имеют странную форму», — сказал в своем заявлении Зехидрих, который не принимал непосредственного участия в исследовании. «Мы должны понять, как суперспирализация, которая так важна для активности ДНК в клетках, влияет на ДНК, в надежде, что когда-нибудь мы научимся ее имитировать или контролировать».
