Структуры в ДНК, которые при анализе долгое время считались «узлами», на самом деле часто представляют собой иное образование — плектонему. Предыдущее заблуждение состояло в том, что неожиданные сигналы, такие как замедления или всплески при секвенировании ДНК через нанопоры, автоматически приписывались узлам. Новое исследование показывает, что эти сигналы также могут указывать на плектонемы — естественные пружиноподобные спирали, которые образуются при скручивании ДНК под давлением (торсионном напряжении).
Различие между этими структурами принципиально. Физик Ульрих Кейзер из Кембриджского университета описывает узлы как «тугие клубки». В то же время плектонемы, по его словам, — это «спиральные пружины, образованные крутящим моментом». Хотя их физический механизм образования разный, они могут производить схожие сигналы при анализе, что и приводило к путанице.
Понимание динамики ДНК имеет фундаментальное значение для биологии. Внутри клеток молекула ДНК постоянно скручивается, копируется и разделяется. Эти физические напряжения и скручивания напрямую влияют на функционирование генов, определяя, какие из них будут активированы («включены») и в какой момент. Изучение реакции ДНК на стресс позволяет понять механизмы контроля генов, организацию самой молекулы и то, как нарушения в этих процессах могут приводить к развитию заболеваний.
Исследование, возглавляемое Ульрихом Кейзером из Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, было опубликовано 12 августа в журнале Physics Review X. Для изучения ДНК ученые использовали технологию нанопор — микроскопических отверстий, через которые может пройти только одна нить ДНК. Через нанопору пропускается электрический ток, и когда молекула ДНК проходит сквозь нее, она нарушает этот ток уникальным образом, что позволяет «считывать» ее структуру.
В ходе эксперимента использовалась конусообразная нанопора, помещенная в солевой раствор с высоким pH. Такая среда создавала электроосмотический поток, который заставлял ДНК вращаться штопорообразно при входе в пору, генерируя сильную скручивающую силу (крутящий момент). Электрическое напряжение, приложенное к нанопоре, протягивало молекулу сквозь нее. Кейзер сравнивает этот процесс с «плаванием в мёде», подчеркивая высокое трение в наномасштабной среде.
Проанализировав тысячи таких событий прохождения ДНК, исследователи смогли различить узлы и плектонемы по их размеру. Узлы имели диаметр примерно 140 нанометров, в то время как плектонемы были значительно крупнее — около 2100 нанометров в поперечнике. Эксперимент также показал, что увеличение напряжения приводило к усилению крутящего момента, что, в свою очередь, делало образование плектонем более частым. Кроме этих двух форм, рассматривалась и третья — простая S-образная складка, которая либо застревала в поре, либо расплеталась.
Для подтверждения ключевой роли торсионного напряжения ученые провели контрольный эксперимент. Они внесли небольшие разрывы, или «надрезы», в одну из цепей двойной спирали ДНК. Эти надрезы позволили молекуле свободнее вращаться, снимая накопленное напряжение. В результате образование плектонем было значительно снижено. Этот опыт убедительно доказал, что именно напряжение от скручивания является главным фактором формирования этих структур.
Эти лабораторные результаты имеют прямое отношение к процессам, происходящим в живых клетках. Плектонемы, вероятно, образуются во время таких ключевых клеточных функций, как транскрипция (копирование кода ДНК в РНК) и репликация (полное удвоение молекулы ДНК перед делением клетки). Ульрих Кейзер также полагает, что торсионное напряжение, формирующее плектонемы, может быть ответственно за образование и других специфических структур ДНК, известных как i-мотивы и G-квадруплексы.
Славен Гарай, физик из Национального университета Сингапура, не принимавший участия в исследовании, прокомментировал его результаты. Он назвал «просто поразительным» тот факт, что ДНК способна проходить через пору, которая «в 10, 50 и даже 100 раз меньше», чем позволяет ее жесткость.
Гарай выразил надежду, что в будущем этот метод можно будет усовершенствовать для различения торсионного напряжения, созданного искусственно в нанопоре, и того напряжения, которое уже естественно присутствовало в молекуле ДНК. Это позволило бы исследователям «изучать естественную суперспирализацию новыми способами», что критически важно для понимания того, как эти спирали и узлы контролируют активность генов в живых организмах.
Изображение носит иллюстративный характер
Различие между этими структурами принципиально. Физик Ульрих Кейзер из Кембриджского университета описывает узлы как «тугие клубки». В то же время плектонемы, по его словам, — это «спиральные пружины, образованные крутящим моментом». Хотя их физический механизм образования разный, они могут производить схожие сигналы при анализе, что и приводило к путанице.
Понимание динамики ДНК имеет фундаментальное значение для биологии. Внутри клеток молекула ДНК постоянно скручивается, копируется и разделяется. Эти физические напряжения и скручивания напрямую влияют на функционирование генов, определяя, какие из них будут активированы («включены») и в какой момент. Изучение реакции ДНК на стресс позволяет понять механизмы контроля генов, организацию самой молекулы и то, как нарушения в этих процессах могут приводить к развитию заболеваний.
Исследование, возглавляемое Ульрихом Кейзером из Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, было опубликовано 12 августа в журнале Physics Review X. Для изучения ДНК ученые использовали технологию нанопор — микроскопических отверстий, через которые может пройти только одна нить ДНК. Через нанопору пропускается электрический ток, и когда молекула ДНК проходит сквозь нее, она нарушает этот ток уникальным образом, что позволяет «считывать» ее структуру.
В ходе эксперимента использовалась конусообразная нанопора, помещенная в солевой раствор с высоким pH. Такая среда создавала электроосмотический поток, который заставлял ДНК вращаться штопорообразно при входе в пору, генерируя сильную скручивающую силу (крутящий момент). Электрическое напряжение, приложенное к нанопоре, протягивало молекулу сквозь нее. Кейзер сравнивает этот процесс с «плаванием в мёде», подчеркивая высокое трение в наномасштабной среде.
Проанализировав тысячи таких событий прохождения ДНК, исследователи смогли различить узлы и плектонемы по их размеру. Узлы имели диаметр примерно 140 нанометров, в то время как плектонемы были значительно крупнее — около 2100 нанометров в поперечнике. Эксперимент также показал, что увеличение напряжения приводило к усилению крутящего момента, что, в свою очередь, делало образование плектонем более частым. Кроме этих двух форм, рассматривалась и третья — простая S-образная складка, которая либо застревала в поре, либо расплеталась.
Для подтверждения ключевой роли торсионного напряжения ученые провели контрольный эксперимент. Они внесли небольшие разрывы, или «надрезы», в одну из цепей двойной спирали ДНК. Эти надрезы позволили молекуле свободнее вращаться, снимая накопленное напряжение. В результате образование плектонем было значительно снижено. Этот опыт убедительно доказал, что именно напряжение от скручивания является главным фактором формирования этих структур.
Эти лабораторные результаты имеют прямое отношение к процессам, происходящим в живых клетках. Плектонемы, вероятно, образуются во время таких ключевых клеточных функций, как транскрипция (копирование кода ДНК в РНК) и репликация (полное удвоение молекулы ДНК перед делением клетки). Ульрих Кейзер также полагает, что торсионное напряжение, формирующее плектонемы, может быть ответственно за образование и других специфических структур ДНК, известных как i-мотивы и G-квадруплексы.
Славен Гарай, физик из Национального университета Сингапура, не принимавший участия в исследовании, прокомментировал его результаты. Он назвал «просто поразительным» тот факт, что ДНК способна проходить через пору, которая «в 10, 50 и даже 100 раз меньше», чем позволяет ее жесткость.
Гарай выразил надежду, что в будущем этот метод можно будет усовершенствовать для различения торсионного напряжения, созданного искусственно в нанопоре, и того напряжения, которое уже естественно присутствовало в молекуле ДНК. Это позволило бы исследователям «изучать естественную суперспирализацию новыми способами», что критически важно для понимания того, как эти спирали и узлы контролируют активность генов в живых организмах.
