在活的人类细胞中发现了神秘的新DNA结构

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艺术家对细胞内i-motif DNA结构的印象,以及用于检测它的基于抗体的工具。 克里斯Hammang

大约65年前,詹姆斯D。沃森和弗朗西斯·H.C.克里克有了一个启示性的发现。“我们找到了生命的秘密!”克里克脱口而出沃森后来在酒吧里发现了著名的DNA双螺旋结构。

现在科学家们发现了“生命的秘密”——DNA-主机另一种结构。除了双链螺旋外,一种称为i基序的四链缠绕体也存在于我们的遗传物质中。它在人体细胞内的检测表明,它是自然发生的,可能具有一种生物学作用,可以用来治疗诸如此类的疾病癌症.

“人们已经证明,利用实验室技术可以在试管中形成这些i-motif结构,”澳大利亚加文医学研究所抗体治疗学负责人丹尼尔·克里斯特说研究有关DNA结构的文章发表在4月23日的《自然化学》杂志上。“但令人瞩目的是,这些结构确实存在于活的人类细胞中。这就是我们现在所展示的,这意味着在我们的细胞中存在着完全不同的DNA结构。”

荧光的跟踪

在这项新的研究中,Christ和他在加文研究所的同事Mahdi Zeraati和Marcel Dinger开发了一种抗体片段,这种抗体片段专门寻找并与i-motifs结合。该抗体配备了一个生物标记,可在荧光灯下发光。通过这种方法,研究小组可以通过识别细胞核中的荧光标记来确定i-motif的位置。

基督说,这种方法确实“推动了”我们对i-motifs的理解,因为知道它们在哪里出现可以为它们可能的行为提供线索。人类DNA在精巧的包装中是一个奇迹。如果一个细胞的DNA被拉长,它会延伸大约6.5英尺(约2米)。仅仅6微米(0.0002英寸)的空间就需要填满30亿个碱基对,这意味着遗传物质以复杂的方式排列和折叠。

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嵌入在DNA链中的i基序的插图。
马赫迪Zeraati

在这种复杂的包装中,双螺旋结构占主导地位,但是,克里斯特说他的团队发现i-motif结构“相当普遍”。 While they can't yet estimate the actual numbers of i-motifs in DNA, they likely number in the 10,000s within each genome, Dinger says in an email.它们也是“动态的”,这意味着它们可以根据条件折叠和展开。

这些结构主要由胞嘧啶构成,胞嘧啶是DNA(和RNA)中发现的四种主要碱基之一,另外还有腺嘌呤、鸟嘌呤和胸腺嘧啶。正常情况下,胞嘧啶在DNA的双螺旋结构中与鸟嘌呤结合,但在i基序中,胞嘧啶相互结合形成双螺旋结构的一个分支。

这些古怪的结构似乎也有利于酸性环境。这些是上世纪90年代实验室实验中检测到的i-motifs的情况,最新研究发现,当环境变得更酸时,这种结构在人类细胞内的患病率会增加。

那么这些结构为什么会存在呢?科学家还不确定,但一些因素表明它们可能在调节基因生产中发挥作用。原因之一是i-motifs主要发生在DNA结构中基因形成的“上游”,据未参与这项研究的密西西比大学(University of Mississippi)化学和生物化学教授兰迪·瓦德金斯(Randy Wadkins)说。

瓦德金斯解释说:“人类基因组中有大约3万个基因,但它们并非一直都在生成,这不是一个连续的过程。”“这些机制可能在基因形成之初就像一个刻度盘,决定着你是制造了一点点还是很多的基因。这些i-motifs通常位于像这样的刻度盘所在的地方。”

连接可能的癌症

Wadkins的实验室一直在研究i-motif在癌症中的可能作用。癌细胞的问题是它们繁殖迅速,生长不受控制。如果i-motif结构在调控肿瘤生长信号基因方面发挥作用,那么它可能为未来阻止癌症扩散的治疗提供一个靶点。

Wadkins说:“如果你能找到一个单独与i-motif相互作用的小分子,那么你就有可能调控,比如说,肿瘤细胞的形成。”

紧接着的下一步将是确认澳大利亚团队的发现,然后深入研究这些新的DNA结构的细节和功能。正如丁格所说,科学家们对人类DNA的所有形式和功能的认识才刚刚开始。

“我们只能解释2%的人类基因组,”丁格说。“它的大部分功能仍然是一个谜——i基序的发现为我们研究基因组并理解其工作原理提供了一个新视角。”