Voor biologen overal is 25 april gunstig. Het is DNA-dag en herdenkt de datum in 1953 toen wetenschappers Francis Crick, Rosalind Franklin, James Watson en Maurice Wilkins baanbrekende wetenschappelijke artikelen publiceerden waarin de spiraalvormige structuur van het DNA-molecuul werd beschreven. In 2003 werd 25 april gebruikt om de voltooiing van het Human Genome Project aan te kondigen. Nu vieren jaarlijkse festiviteiten op deze dag de molecule van het leven met nieuwe ontdekkingen. Wat is een betere tijd om een nieuw beeld van DNA te geven.
Ik ben DNA DAVE (of althans mijn kenteken sinds 1984 zegt dat), en een van de dingen die mijn lab graag doet, is DNA "zien". We nemen beelden van DNA, zodat we dingen die moeilijk te kwantificeren zijn direct kunnen meten met behulp van indirecte methoden waarbij meestal de vier chemische eenheden van DNA worden gebruikt, basen genoemd.
Het eerste onthullende beeld van DNA genomen met behulp van röntgendiffractie. (Raymond Gosling / King's College Londen) Ik zou bijvoorbeeld graag willen weten waar op elk chromosoom het proces van DNA-replicatie begint. Foutloze duplicatie van DNA is essentieel voor het produceren van gezonde cellen. Wanneer dit proces onvolledig of verstoord is, kan het resultaat kanker en andere ziekten veroorzaken.
In onze afbeelding is die vertrouwde dubbele helixtrap niet zichtbaar omdat dit perspectief is uitgezoomd - zoals kijken naar de kaart van een land versus een stad. Ook is elk van deze moleculen equivalent aan 50.000 omwentelingen van de spiraalvormige trap - een aanzienlijk segment van een menselijk chromosoom.
Een kaart van DNA maken
Deze afbeelding, genomen met een apparaat dat de Bionano Genomics Saphyr-imager wordt genoemd, bevat individuele DNA-moleculen - gekleurd in blauw, groen en rood. Deze strengen DNA zijn uitgelijnd door ze door smalle buizen te rijgen - nano-kanalen genoemd - die maar op één stuk DNA passen. Terwijl het DNA in de buis glijdt, worden de strengen recht.
Het hele DNA-molecuul is blauw gekleurd en de groene maatstreepjes zijn oriëntatiepunten - of specifieke sequenties van DNA die gemiddeld om de 4.500 basenparen voorkomen. Het patroon van oriëntatiepunten biedt een unieke vingerafdruk die ons vertelt waar we ons bevinden langs de lengte van een chromosoom. De rode fluorescerende blips markeren de locaties waar het DNA is begonnen met repliceren. Deze sites worden "oorsprong van replicatie" genoemd en zijn de plaatsen waar het DNA eerst tot rust komt, zodat het duplicatieproces kan beginnen.
Onderzoekers van Bionano Genomics in San Diego ontwikkelden deze nanochannel-technologie om regio's van chromosomen in kaart te brengen die anders niet te koppelen waren, vanwege lastige genetische sequenties die het moeilijk maken om de volgorde van de vier basen te bepalen. Dit apparaat loste het probleem op door te 'kijken' naar de rangschikking van sequenties op één molecuul per keer en kan 30 miljard basenparen in één uur aflezen - het equivalent van 10 menselijke genomen.
Mijn team en dat van Nick Rhind aan de Universiteit van Massachusetts erkenden dat deze nanochannel-technologie ons in staat zou stellen een experiment uit te voeren dat nog nooit eerder was geprobeerd: alle locaties in kaart brengen waar DNA-replicatie gelijktijdig begint op miljoenen afzonderlijke DNA-vezels.
Voordat een cel zich in twee onafhankelijke cellen kan delen, moet het DNA een kopie van zichzelf maken zodat elke cel een complete set chromosomen ontvangt. Om te begrijpen hoe het genetische materiaal wordt gedupliceerd, is het essentieel om te weten waar langs het chromosoom het proces begint. Dat was de grootste uitdaging om te bestuderen hoe de replicatie van onze eigen chromosomen plaatsvindt en bijgevolg wat er misgaat bij zoveel ziekten, zoals kanker, waarbij replicatie misgaat.
DNA-replicatie en kanker
Elke keer dat een cel de dubbele DNA-helix deelt, moet deze zichzelf dupliceren om een kopie van de genetische instructies aan beide cellen te geven. (Soleil Nordic / Shutterstock.com) De oorsprong van replicatie is ongrijpbaar omdat ze op veel plaatsen op verschillende moleculen voorkomen, dus we moeten naar afzonderlijke DNA-moleculen kijken om ze te detecteren. Hoewel wetenschappers sinds het begin van de jaren zestig afzonderlijke DNA-moleculen hebben kunnen zien, konden we niet zeggen waar in de chromosomen een molecuul vandaan kwam, dus konden we niets in kaart brengen.
Kyle Klein, een Ph.D. student in mijn lab, labelde levende menselijke stamcellen met rode fluorescerende moleculen die locaties markeerden waar DNA-replicatie plaatsvond, die in kaart werden gebracht met het Bionano-apparaat. Deze beelden werden vervolgens gesuperponeerd op de blauwe en groene DNA-kaarten van dezelfde DNA-moleculen.
We verwachten dat deze methode ons begrip van hoe menselijke chromosomen repliceren volledig zal transformeren. Aangezien bovendien de meeste chemotherapie-medicijnen voor de behandeling van kanker en de meeste carcinogenen - of kankerverwekkende chemicaliën - in onze omgeving werken door DNA aan te vallen wanneer het repliceert, verwachten we dat deze methode een snelle en uitgebreide test biedt voor hoe deze chemicaliën de DNA-replicatie verstoren. We hopen ook dat het laat zien hoe we deze negatieve gevolgen kunnen verlichten en hoe we betere en minder toxische chemotherapiebehandelingen kunnen ontwikkelen.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation.
David M. Gilbert, hoogleraar moleculaire biologie, Florida State University
