science >> Wetenschap >  >> Biologie

Mysterieuze nieuwe DNA-structuur gevonden in levende menselijke cellen

Een artistieke impressie van de i-motief DNA-structuur in cellen, samen met de op antilichamen gebaseerde tool die wordt gebruikt om het te detecteren. Chris Hammang

Zo'n 65 jaar geleden, James D. Watson en Francis H.C. Crick deed een onthullende ontdekking. "We hebben het geheim van het leven gevonden!" Crick flapte eruit in een pub, Watson zou later beweren, nadat het paar de beroemde dubbele helixstructuur van DNA in kaart had gebracht.

Nu hebben wetenschappers ontdekt dat het 'geheim van het leven' - DNA - een ander soort structuur herbergt. Naast de dubbelstrengs spiraal, een vierstrengige kluwen, bekend als een i-motief, is aangetoond dat het overal in ons genetisch materiaal voorkomt. De detectie ervan in menselijke cellen suggereert dat het van nature voorkomt en een biologische rol kan spelen die gericht zou kunnen zijn op de behandeling van ziekten zoals kanker.

"Mensen hadden al laten zien dat je deze i-motiefstructuren in de reageerbuis kunt vormen met behulp van laboratoriumtechnieken, " zegt Daniël Christus, hoofd van antilichaamtherapie bij het Garvan Institute of Medical Research in Australië en co-auteur van een studie over de DNA-structuren die op 23 april in Nature Chemistry is gepubliceerd. "Maar wat opmerkelijk was, is de validatie dat deze structuren echt bestaan ​​in levende menselijke cellen. Dat is wat we nu hebben aangetoond en het betekent dat er totaal verschillende DNA-structuren in onze cellen bestaan."

Fluorescerende tracking

In de nieuwe studie Christ en zijn collega's van het Garvan Institute, Mahdi Zeraati en Marcel Dinger, ontwikkelde een antilichaamfragment dat specifiek i-motieven zoekt en bindt. Het antilichaam was uitgerust met een biologische marker die oplicht onder fluorescerend licht. Op deze manier, het team was in staat om in kaart te brengen waar i-motieven zich bevonden door fluorescerende markers in celkernen te identificeren.

De methode, Christus zegt, echt "verlegt de lat" bij het bevorderen van ons begrip van i-motieven, omdat weten waar ze voorkomen, aanwijzingen kan geven over wat ze kunnen doen. Menselijk DNA vertegenwoordigt een wonder in ingenieuze verpakking. Als het DNA van één cel zou worden uitgerekt, het zou zich ongeveer zes en een halve voet (ongeveer 2 meter) uitstrekken. De noodzaak om 3 miljard basenparen in een ruimte van slechts 6 micron (0,002 inch) te proppen, betekent dat het genetische materiaal wordt gerangschikt en gevouwen in ingewikkelde patronen.

Een illustratie van een i-motief ingebed in een DNA-streng. Mahdi Zeraati

Binnen deze ingewikkelde verpakking, de dubbele helixstructuur domineert, maar, Christ zegt dat zijn team ontdekte dat i-motiefstructuren 'vrij gewoon' zijn. Hoewel ze het werkelijke aantal i-motieven in DNA nog niet kunnen inschatten, ze staan ​​waarschijnlijk in de 10, 000s binnen elk genoom, zegt Dinger in een e-mail. Ze zijn ook "dynamisch, "wat betekent dat ze kunnen vouwen en ontvouwen, afhankelijk van de voorwaarden.

De structuren bestaan ​​voornamelijk uit cytosines, een van de vier belangrijkste basen in DNA (en RNA), samen met adenine, guanine en thymine. Normaal gesproken binden cytosines met guanines in de dubbele helixstructuur van DNA, maar in i-motieven, cytosines binden aan elkaar om een ​​uitloper van de dubbele helix te vormen.

De eigenzinnige structuren lijken ook de voorkeur te geven aan zure omstandigheden. Dit zijn het soort omstandigheden waarin i-motieven eerder werden gedetecteerd tijdens laboratoriumexperimenten in de jaren negentig, en het laatste onderzoek wees uit dat de prevalentie van de structuren in de menselijke cel toeneemt wanneer de omgeving zuurder wordt gemaakt.

Dus waarom zijn de structuren er? Wetenschappers weten het nog niet zeker maar sommige factoren suggereren dat ze een rol kunnen spelen bij het reguleren van de genproductie. Een reden is dat i-motieven voornamelijk "stroomopwaarts" voorkomen van waaruit genen in de DNA-structuur worden gemaakt, volgens Randy Wadkins, een professor in de chemie en biochemie aan de Universiteit van Mississippi die niet betrokken was bij het onderzoek.

"We hebben zo'n 30 000 genen in het menselijk genoom, maar ze worden niet altijd gemaakt - het is geen continu proces, " legt Wadkins uit. "Dit kunnen mechanismen zijn die aan het begin van de genvorming als een wijzerplaat werken en bepalen of je een klein beetje of veel van dat gen maakt. De i-motieven bevinden zich over het algemeen op plaatsen waar dit soort wijzerplaten zou zijn."

Mogelijke verbinding met kanker

Wadkins' lab heeft de mogelijke rol van i-motieven bij kanker onderzocht. Het probleem met kankercellen is dat ze zich snel voortplanten en dat hun groei ongecontroleerd is. Als de i-motiefstructuur een rol speelt bij het reguleren van genen die de groei van een tumor signaleren, dan zou het een doelwit kunnen zijn voor toekomstige therapieën om de verspreiding van kanker te stoppen.

"Als je een klein molecuul zou kunnen vinden dat alleen interageert met i-motief, dan kun je misschien de vorming van, zeggen, tumorcellen, "Wadkins zegt, eraan toevoegend dat dit voorlopig slechts speculatie is.

De onmiddellijke volgende stap zal zijn om de bevindingen van het Australische team te bevestigen en vervolgens te graven in de details en functies van deze nieuwe DNA-structuren. Zoals Dinger zegt, wetenschappers staan ​​nog maar aan het begin van het begrijpen van alle vormen en functies van het menselijk DNA.

"We kunnen slechts ongeveer 2 procent van het menselijk genoom interpreteren, "zegt Dinger. "De functie van het meeste blijft een mysterie - de ontdekking van het i-motief voegt een nieuwe lens toe waardoor we naar het genoom kunnen kijken en begrijpen hoe het werkt."

Dat is nu interessant

James Watson, Frances Crick en Maurice Wilkins ontvingen in 1962 een Nobelprijs voor hun werk bij het ontdekken van het dubbele-helixmodel van DNA. Latere verslagen beschrijven hoe Wilkins Watson een kritisch kristallografisch portret had laten zien van DNA dat was gevangen door een andere DNA-onderzoeker (een vrouw), Rosalinde Franklin, net voordat Watson en Crick hun theorie over de structuur van DNA afrondden. 1956, Rosalind Franklin kreeg kanker en stierf minder dan twee jaar later. Een discussie over de vraag of Franklin de eer heeft gekregen voor haar bijdrage aan de ontdekking gaat door.