Forskare upptäcker konstiga dolda strukturer i DNA
Forskare har funnit att vridningsstrukturer i DNA länge felaktigt för knutar faktiskt är något helt annat.
Inuti celler, DNA Blir vriden, kopierad och dras isär. Vändningarna kan påverka hur gener fungerar, som påverkar vilka som är påslagna och när. Att studera hur DNA svarar på stress kan hjälpa forskare att bättre förstå hur gener styrs, hur molekylen är organiserad och hur problem med dessa processer kan bidra till sjukdom.
I flera år har forskare använt nanoporer – små hål precis tillräckligt breda för att en enda DNA -sträng ska glida igenom – för att läsa DNA -sekvenser snabbt och billigt. Dessa system fungerar genom att mäta den elektriska strömmen som strömmar genom nanopore. När en DNA -molekyl passerar, stör det den strömmen på ett tydligt sätt som motsvarar var och en av de fyra ”bokstäverna” som utgör DNA: s kod: A, T, C och G.
Oväntade avmattningar eller spikar i denna signal tolkades ofta som knutar i DNA. Men nu, en ny studie publicerad 12 augusti i tidskriften Fysikgranskning x Upptäcker att dessa signalförändringar också kan beteckna plektonemer, som är naturliga spolar som bildas när DNA -vrider under stress.
”Knutar och plectonemes kan se väldigt lika ut i nanopore -signaler,” ledande studieförfattare Ulrich Keyserberättade en fysiker vid University of Cambridge’s Cavendish Laboratory, till Live Science. ”Men de kommer från mycket olika fysiska mekanismer. Knutar är som snäva trasslar; plektonemer är mer som spiralfjädrar, bildade av vridmoment.”
För att studera dessa spolar passerade forskarna en DNA-sträng genom en konformad nanopore i en salt lösning med högt pH. Lösningen hjälpte till att skapa ett elektroosmotiskt flöde, vilket innebär att DNA började snurra när det gick in i poren. Rörelsen genererade en tillräckligt stark vridningskraft, eller vridmoment, att den lindade DNA, förklarade Keyser.
Släkt: DNA har ett utgångsdatum. Men proteiner avslöjar hemligheter om våra forntida förfäder som vi aldrig trodde var möjligt.
Keyser och hans team applicerade också en elektrisk spänning över nanopore för att hjälpa till att driva DNA genom och mäta förändringar i elektrisk ström.
”I den här typen av nanoskala system är allt mycket hög friktion, så DNA rör sig nästan som om det simmar genom honung,” sa Keyser. ”Det är en mycket viskös miljö, så relativt höga krafter pressar DNA i denna korkskruvrörelse.”
Bild 1 av 3
Forskarna analyserade tusentals av dessa händelser. Medan vissa knutar fortfarande dök upp i experimentet, tenderade de att vara mindre – ungefär 140 nanometer över – medan plektonemer var cirka 2 100 nanometer över. När spänningen som applicerades på systemet ökades blev plektonemer vanligare på grund av ett starkare vridmoment.
För att ytterligare testa hur vridning påverkar DNA -beteende introducerade forskarna små pauser, kallade NICKS, i en del av DNA: s dubbla spiral. Dessa nicks gjorde det möjligt för DNA att rotera lättare och frigöra uppbyggd spänning, vilket i sin tur fick färre plektonemer att bilda. Detta bekräftade att vridstress är en viktig drivkraft för dessa strukturer.
”När vi kontrollerade molekylens förmåga att rotera, kunde vi ändra hur ofta plektonemer dök upp,” sade Keyser.
Även om nanoporer skiljer sig mycket från levande celler, kan dessa typer av plektonem också bildas under processer som DNA -transkription och replikering. Transkription beskriver när DNA: s kod kopieras av en annan molekyl, kallad RNAoch skickas in i cellen. Replikering beskriver när DNA -molekylen replikeras i sin helhet, vilket händer när en cell delar till exempel.
”Jag tror att vridningen i molekylerna faktiskt kan ge upphov till bildandet av I-motiv och G-quadruplex”Berättade Keyser till Live Science och gav namnen på två specifika typer av knop som ses i DNA. Så vad de hittade i sin labbstudie har troligen konsekvenser för levande celler, förklarade han.
Keyser och hans team har undersökt hur plectonemes och andra DNA -strukturer bildas under naturliga processer, såsom transkription. I tidigare arbetede utforskade hur vridstress påverkar DNA -replikation. Nanoporer ger forskare ett sätt att inte bara läsa DNA utan också att se hur det beter sig, betonar denna studie.
”Bara det faktum att DNA -molekylen kan pressa genom poren, där dess styvhet är tänkt att vara mycket större än pordiametern, är ganska fantastisk,” Slaven garajen fysiker vid National University of Singapore som inte var en del av studien, berättade Live Science. ”Det är 10, 50, till och med 100 gånger styvare än porstorleken. Fortfarande böjer den och passerar igenom.”
Garaj var upphetsad över resultaten. I framtiden ”kan vi kanske separera nanopore-inducerad torsion från torsion som redan fanns i DNA tidigare. Det kunde låta oss utforska naturlig supercoiling på nya sätt,” tillade han. Detta skulle vara viktigt för att förstå hur spolar och knutar kontrollerar genaktivitet.
