Fysikere optrævler mysteriet med gentagne DNA-segmenter

Med nye værktøjer, der kan gribe individuelle DNA-strenge og strække dem som gummibånd, Rice University-forskere arbejder på at opklare et mysterium om moderne genomik. Deres seneste resultater, som optræder i Fysiske anmeldelsesbreve , give nye ledetråde om den fysiske sammensætning af ulige DNA-segmenter, der kun har én DNA-base, adenin, gentaget snesevis af gange i træk.

Disse mystiske "poly(dA)-gentagelser" drysses ud over det menneskelige genom. Forskere har også fundet dem i genomet af dyr, planter og andre arter gennem det seneste årti. Men forskerne ved ikke, hvorfor de er der, hvilken funktion de udfører, eller hvorfor de kun forekommer med DNA-basen adenin og ikke de andre tre DNA-baser - cytosin, guanin og thymin.

"Tidligere undersøgelser af poly(dA) har antydet, at adeninbaser stables på en meget ensartet måde, " sagde Ching-Hwa Kiang, medforfatter til det nye studie og assisterende professor i fysik og astronomi på Rice. "Vores undersøgelse fokuserede på, hvad der sker, når enkelte tråde af poly(dA) blev strakt, og disse stakke blev trukket fra hinanden."

Kiangs forskningsgruppe har specialiseret sig i at studere de fysiske og mekaniske egenskaber af proteiner og nukleinsyrer, og deres primære værktøj er en af ​​grundpillerne i nanoteknologisk forskning - atomkraftmikroskopet, eller AFM. Forretningsenden på en AFM er som en lille fonografnål. Spidsen af ​​nålen er ikke mere end et par atomer bred, og nålen er for enden af ​​en arm, der vipper op og ned over overfladen af ​​det, der måles. Mens nanoteknologer bruger enheden til at måle tykkelsen af ​​prøver, Kiangs gruppe bruger det på en anden måde.

For at begynde sine eksperimenter, Kiang placerer først en tynd belægning af de proteiner, hun ønsker at studere, på en flad overflade. Denne placeres under AFM-armen, så den vippende AFM-nål kan dyppe ned og gribe enderne af et af proteinerne. Når armen trækkes tilbage, det optrævler proteinet.

Alle proteiner foldes til en karakteristisk form. Som små kilder, de forbliver i denne kompakte "laveste energi"-tilstand, medmindre de skilles ad.

Den nye undersøgelse om poly(dA) blev udført af Kiang, Rice-studerende Wuen-shiu Chen og kolleger ved Rice and National Chung Hsing University (NCHU) i Taiwan. Holdet opdagede, at poly(dA) opfører sig anderledes afhængigt af den hastighed, hvormed det strækkes. Da AFM duppede hurtigt, poly(dA)-segmenterne opførte sig som ethvert andet segment af enkeltstrenget DNA. Men da AFM-bevægelsen blev bremset, holdet fandt ud af, at mængden af ​​kraft, der krævedes for at strække poly(dA), ændrede sig. På to bestemte steder, strengen forlænget et kort stykke uden nogen yderligere kraft overhovedet.

"Typisk, enkelte DNA-strenge opfører sig som et gummibånd:Modstanden øges, når de strækkes, hvilket betyder at du skal trække hårdere og hårdere for at fortsætte med at strække dem, " sagde Kiang. "Med poly(dA), vi fandt disse to punkter, hvor det ikke gælder. Det er som om du skal trække hårdere og hårdere, og så for en kort tid, båndet strækker sig uden nogen som helst yderligere kraft."

Kiang sagde, at de nøjagtige årsager og implikationer af fænomenet er uklare. Men forskere ved, at dobbeltstrenget DNA skal skilles ad adskilte steder, så cellens maskineri kan læse den genetiske kode og omdanne den til proteiner. Der har været nogle spekulationer om, at adenin-gentagelserne spiller en rolle i bestilling af genomisk information; Kiang sagde, at de nye resultater rejser endnu flere spørgsmål om den rolle, gentagelserne kan spille i genregulering og genompakning, og hvordan de kan være potentielle mål for kræftmedicin.