Für Biologen überall ist der 25. April vielversprechend. Es ist DNA-Tag und erinnert an das Jahr 1953, als die Wissenschaftler Francis Crick, Rosalind Franklin, James Watson und Maurice Wilkins wegweisende wissenschaftliche Arbeiten veröffentlichten, in denen die helikale Struktur des DNA-Moleküls beschrieben wurde. Im Jahr 2003 wurde der 25. April genutzt, um den Abschluss des Humangenomprojekts anzukündigen. Jetzt feiern jährliche Feierlichkeiten an diesem Tag das Molekül des Lebens mit neuen Entdeckungen. Welchen besseren Zeitpunkt gibt es, um ein neues Bild der DNA zu erstellen?
Ich bin DNA DAVE (oder zumindest mein Nummernschild seit 1984 besagt dies), und eines der Dinge, die mein Labor gerne tut, ist es, DNA zu „sehen“. Wir machen DNA-Bilder, um schwer zu quantifizierende Dinge direkt mit indirekten Methoden zu messen, bei denen normalerweise die vier chemischen DNA-Einheiten, die Basen, sequenziert werden.
Das erste aufschlussreiche Bild der DNA, das mit Röntgenbeugung aufgenommen wurde. (Raymond Gosling / King's College London) Zum Beispiel möchte ich wissen, wo auf jedem Chromosom der Prozess der DNA-Replikation beginnt. Eine fehlerfreie Vervielfältigung der DNA ist für die Produktion gesunder Zellen unerlässlich. Wenn dieser Prozess unvollständig oder gestört ist, kann das Ergebnis Krebs und andere Krankheiten verursachen.
In unserem Bild ist diese bekannte Doppelhelixtreppe nicht sichtbar, weil diese Perspektive herausgezoomt ist - wie beim Betrachten der Karte eines Landes im Vergleich zu einer Stadt. Jedes dieser Moleküle entspricht 50.000 Umdrehungen der Wendeltreppe - ein wesentliches Segment eines menschlichen Chromosoms.
Eine Karte der DNA erstellen
Dieses Bild wurde mit einem Gerät namens Bionano Genomics Saphyr aufgenommen und zeigt einzelne DNA-Moleküle - in Blau, Grün und Rot gefärbt. Diese DNA-Stränge wurden ausgerichtet, indem sie durch schmale Röhrchen, sogenannte Nanokanäle, geführt wurden, die nur zu einem DNA-Stück passen. Wenn die DNA in das Röhrchen gleitet, richten sich die Stränge auf.
Das gesamte DNA-Molekül ist blau gefärbt und die grünen Häkchen sind Orientierungspunkte - oder spezifische DNA-Sequenzen, die durchschnittlich alle 4.500 Basenpaare vorkommen. Das Muster der Landmarken liefert einen einzigartigen Fingerabdruck, der uns sagt, wo wir uns entlang der Länge eines Chromosoms befinden. Die roten fluoreszierenden Streifen markieren die Stellen, an denen sich die DNA zu replizieren begonnen hat. Diese Stellen werden "Replikationsursprünge" genannt und sind der Ort, an dem sich die DNA zuerst abwickelt, damit der Duplikationsprozess beginnen kann.
Forscher von Bionano Genomics in San Diego entwickelten diese Nanokanal-Technologie, um Regionen von Chromosomen abzubilden, die ansonsten aufgrund schwieriger genetischer Sequenzen, die es schwierig machen, die Reihenfolge der vier Basen zu bestimmen, nicht kartografierbar waren. Dieses Gerät löste das Problem, indem es die Anordnung von Sequenzen auf einem Molekül zu einem Zeitpunkt „untersuchte“ und in einer Stunde 30 Milliarden Basenpaare lesen konnte - das entspricht 10 menschlichen Genomen.
Mein Team und das von Nick Rhind an der University of Massachusetts haben erkannt, dass wir mit dieser Nanokanal-Technologie ein Experiment durchführen können, das noch nie zuvor durchgeführt wurde: Kartieren Sie alle Orte, an denen die DNA-Replikation gleichzeitig auf Millionen einzelner DNA-Fasern beginnt.
Bevor sich eine Zelle in zwei unabhängige Zellen teilen kann, muss die DNA eine Kopie von sich selbst erstellen, sodass jede Zelle einen vollständigen Chromosomensatz erhält. Um zu verstehen, wie das genetische Material dupliziert wird, ist es wichtig zu wissen, wo entlang des Chromosoms der Prozess beginnt. Das war die größte Herausforderung für die Untersuchung, wie die Replikation unserer eigenen Chromosomen stattfindet und was folglich bei so vielen Krankheiten wie Krebs, bei denen die Replikation schief geht, schief läuft.
DNA-Replikation und Krebs
Jedes Mal, wenn eine Zelle die DNA-Doppelhelix teilt, muss sie sich selbst duplizieren, um beiden Zellen eine Kopie der genetischen Anweisungen zu liefern. (Soleil Nordic / Shutterstock.com) Replikationsursprünge waren schwer fassbar, da sie an vielen Stellen auf verschiedenen Molekülen vorkommen. Daher müssen wir uns einzelne DNA-Moleküle ansehen, um sie nachzuweisen. Obwohl Wissenschaftler seit den frühen 1960er Jahren einzelne DNA-Moleküle sehen konnten, konnten wir nicht sagen, woher ein Molekül in den Chromosomen stammte, sodass wir nichts abbilden konnten.
Kyle Klein, Ph.D. Student in meinem Labor beschriftete lebende menschliche Stammzellen mit rot fluoreszierenden Molekülen, die Orte markierten, an denen die DNA-Replikation stattfand, und die mit dem Bionano-Gerät kartiert wurden. Diese Bilder wurden dann auf die blauen und grünen DNA-Karten der gleichen DNA-Moleküle gelegt.
Wir erwarten, dass diese Methode unser Verständnis der Replikation menschlicher Chromosomen grundlegend verändert. Da die meisten Chemotherapeutika zur Krebsbehandlung und die meisten Karzinogene - oder krebserregenden Chemikalien - in unserer Umwelt beim Replizieren DNA angreifen, erwarten wir von dieser Methode einen schnellen und umfassenden Test, wie diese Chemikalien die DNA-Replikation stören. Wir hoffen auch, dass sich daraus ableiten lässt, wie wir diese negativen Konsequenzen lindern und wie wir bessere und weniger toxische Chemotherapiebehandlungen entwickeln können.
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht.
David M. Gilbert, Professor für Molekularbiologie, Florida State University
