DNA는 아마도 60 년 전에 제임스 왓슨 (James Watson)과 프랜시스 크릭 (Francis Crick)이 처음 묘사 한 이중 나선 인 상징적 인 모양으로 가장 잘 알려져있을 것입니다. 그러나 분자는 살아있는 세포에서 그 형태를 거의 취하지 않습니다. 대신, 이중 헬릭스 DNA는 다른 분자와 상호 작용하는 방식에 심오한 역할을 할 수있는 복잡한 형태로 더 포장됩니다. Baylor College of Medicine의 생물 물리학자인 Lynn Zechiedrich는“DNA는 우리가 생각했던 것보다 자체 규제에서 더욱 활발하고 있으며, 소위 수퍼 코일 DNA에 대한 연구를 이끌고 있습니다. "단백질에 의해 걸리기를 기다리는 수동적 [분자]이 아닙니다."
Nature Communications 에 출판 된 Zechiedrich의 최신 연구 결과 10 월에는 슈퍼 코일 DNA의 역동적 인 특성을 포착하고 DNA의 오랜 퍼즐 중 하나에 대한 새로운 솔루션이 될 수있는 것을 가리 킵니다. 베이스로 알려진 유전자 코드의 문자는 나선 안에 숨겨져 있습니다. 그러면 해당 코드를 읽고 DNA를 복제하는 분자 기계는 어떻게 접근 할 수 있습니까? 특수 단백질은 분자가 복제되고 전사로 알려진 과정 인 RNA로 전환 될 때 작은 분자 세그먼트를 압축 할 수 있습니다. 그러나 Zechiedrich의 작품은 DNA가 스스로 열리는 방법을 보여줍니다. 단순히 DNA를 비틀면 단백질의 도움없이 내부 염기를 외부에 노출시킬 수 있습니다. 국립 암 연구소 (National Cancer Institute)의 생물학자인 데이비드 레 벤스 (David Levens)의 추가 연구는 전사 자체가 살아있는 인간 세포에서 DNA를 뒤덮고 코일의 일부를 조여서 다른 부분에서 풀고 있음을 보여 주었다. 그 스트레스는 모양이 바뀌고, 특히 나선을 읽을 수있는 나선을 열어줍니다.
.이 연구는 DNA 토폴로지의 설득력있는 언어를 암시하여 수많은 세포 과정을 지시 할 수 있습니다. 데이비스 캘리포니아 대학의 수학적 생물학자인 크레이그 벤햄 (Craig Benham)은“DNA가 이런 식으로 행동하는 것은 흥미 롭다. “저는 이것이 많은 생물 학자들에게 놀라운 일이라고 생각합니다.”
긴장 시간이 없음
슈퍼 코일 DNA에 대한 감각을 얻으려면 문자열 조각을 왜곡한다고 상상해보십시오. 문자열을 놓아두면 풀립니다. 그것을 충분히 비틀면 그 자체로 접 힙니다. 트위스트의 정도는 스트링에 스트레스를줍니다.
DNA도 비슷한 방식으로 행동합니다. 문자열과 마찬가지로, 그것은 가장 편안한 상태 인 상징적 인 이중 나선을 선호합니다. 그러나 DNA는 거의 긴장을 풀지 않습니다. 그것은 분자에 대한 지속적인 맹공격의 적용을 받는다. 어떤 유전자가 활성화되고 침묵하는 분자; 그리고 긴 분자를 관리 가능한 크기로 포장하는 단백질. 이들 분자는 모두 새로운 형태로 DNA를 뒤집어 간단한 이중 나선의 안식처에서 차단합니다.
Irobalieva Rn et al., Nat. 통신. 2015
비디오 : 이 시뮬레이션은 슈퍼 코일 DNA의 작은 원의 역동적 인 춤을 보여줍니다.
이러한 상호 작용은 세포의 내부 작용, 모든 생명의 기초를 나타냅니다. 예를 들어, 세포가 특정 유전자를 활성화하기로 결정하는 방법은 적절한 시간에 적절한 위치에 복잡한 분자 조립을 포함한다. 단백질 -DNA 상호 작용은 또한 약물에 대한 주요 표적뿐만 아니라 질병에 대한 통찰력을 제시합니다. 다른 유전자를 방해하지 않고 암에 연결된 유전자의 활성화를 차단할 수있는 약물을 상상해보십시오.
불행히도, 이러한 상호 작용은 생물학적 분자가 형태를 쉽게 변형시키기 때문에 연구하기가 매우 어렵다. 부품이 끊임없이 변하는 경우 기계공은 자동차를 고치는 데 어려움을 겪을 것입니다.
이러한 나노 스케일 상호 작용의 복잡한 구조를 포착하기 위해 과학자들은 일반적으로 분자를 결정화하여 카메라의 모양을 동결시킵니다. 이 연구의 대부분은 편안한 DNA (표준 더블 헬릭스 형태)의 짧은 가닥을 사용하기 쉽고 저렴하기 때문에 사용합니다. 그러나 그것은 진정한 그림을 포착하지 못할 수 있습니다. 편안한 DNA는 종종 세포에서 발견되는 것과 다르게 행동하며 모든 단백질 주위에 뒤틀린다.
Zechiedrich와 그녀의 공동 작업자들은 지난 20 년 동안 작은 슈퍼 코일 DNA 조각을 만들었습니다. 본질적으로, 그들은 짧은 가닥의 DNA를 취하고 코일과 함께 또는 코일에 대해 한 번, 두 번, 3 번 이상 비틀어줍니다. 그런 다음 끝을 함께 붙입니다. 최종 결과는 한 방향 또는 다른 방향으로 코일 된 작은 DNA 원입니다. 그녀의 공동 작업자이자 Baylor 동료 인 Jonathan Fogg와 다른 사람들은이 뒤틀린 코일이 춤을 추며 현미경 발레를 통해 반짝이는 것을 보여주었습니다. 각 분자는 간단한 원에서 그림 8, 라켓, 수갑, 바늘 및 막대에 이르기까지 다양한 모양을 가정 할 수 있습니다. Tallahassee의 Florida State University의 수학자 인 De Witt Sumners는“선형 DNA는 뻣뻣하고 융통성이 없습니다. "하지만 작은 원으로 구부러지면 이중이 열리고 많은 흥미로운 모양을 채택합니다. 이것은 완전히 예상치 못한 일입니다."
.Zechiedrich의 실험실의 최신 연구는이 작은 고리에 대한 가장 분명한 그림을 제공합니다. 연구원들은 다양한 형태의 개별 원의 미세한 이미지를 포착했습니다. 리즈 대학교의 생물 학자 인 사라 해리스 (Sarah Harris)가 만든 정교한 컴퓨터 모델과 이미지를 짝을 이루면 각 분자의 정확한 움직임을 예측할 수있었습니다.
과학자들은 이미 수퍼 코일 DNA 기능의 비트와 조각을 알고 있었지만 새로운 논문의 현미경과 모델링의 조합은보다 정확한 그림을 만드는 데 도움이됩니다. 이 연구에 참여하지 않은 달라스 텍사스 대학교의 생물 물리학 자이자 바이오 엔지니어 인 스티븐 레벤 (Stephen Levene)은“생물학적 공동체의 상당 부분에서 볼 수있다”고 말했다. "수학 모델을 보여줄 수는 있지만 설득력있는 구조 데이터가 없다면 사람들이 무슨 일이 일어나고 있는지 이해하기가 어렵습니다."
.DNA 노출
연구자들은 1970 년대 이래로 부정적인 슈퍼 코일이라고하는 나선의 방향과 반대되는 DNA가 두 가닥을 열 수 있다는 것을 알고 있습니다. 이 분할은 이중 목적을 제공합니다. 둘 다 펜트 업 분자 응력을 완화하고 나선 안에 숨겨진 코드를 노출시켜 DNA를 복제하고 RNA를 만드는 분자 기계에 대한 접근을 허용합니다.
.그러나 그 작업이 끝난 직후, 과학자들은 게놈의 기본 문자 순서를 읽고 유전자 시퀀싱 혁명을 시작하는 새로운 기술을 개발했습니다. Benham은“시퀀싱은 많은 가능성을 열었지만 모든 사람들이 부수적이어서 [구조적] 질문이 갑자기 매우 지나가게되었습니다.
30 년 동안, 대부분의 과학자들은 슈퍼 코일이 아마도 슈퍼 코일이 매듭을 지르고 끊어지는 특별한 효소를 가지고있는 복잡한 세포에서는 그다지 중요하지 않다고 가정했습니다. 이 효소는 귀찮은 스트레스의 축적을 방지하는 데 도움이됩니다. 그러나 그들은 100 % 효과적이지 않습니다. 2008 년 National Cancer Institute Biologist 인 Levens는 인간 세포에서 슈퍼 코일을 감지하여 DNA의 고차 구조에 대한 관심을 지배하는 팀을 이끌었습니다.
Levens와 Collaborators는 전사가 DNA를 비틀어 언더 코일 (또는 부정적인 초과 코일)의 흔적을 남겨두고 있음을 발견했습니다. 또한, 그들은 DNA 서열 자체가 분자가 슈퍼 코일에 반응하는 방식에 영향을 미친다는 것을 발견했다. 예를 들어, 연구원들은 오래된 내부 튜브의 약점처럼 스트레스를받을 때 열기 쉬운 특정 DNA 서열을 확인했습니다. 이 세그먼트는 일종의 화학 크루즈 컨트롤 역할을합니다. 슈퍼 코일의 양이 상승하고 떨어지면 분자 기계가 DNA를 읽는 속도를 느리게하거나 속도를 내립니다.
Levens는 이러한 구조적 변화가 DNA가 길이를 따라 통신하는 데 도움이된다고 말합니다. 내부 튜브를 눌렀을 때 약한 반점이 벌어지는 것처럼 DNA 분자의 한 부분의 변화가 길이를 따라 다른 곳에서 스트레스를 유발할 수있어 유전자를 조절하는 데 도움이 될 수 있습니다.
이 결과는 Harris의 모델과 일치하며, SuperCoiling은 나선의 두 가닥을 분리하여 나선 안에있는 DNA베이스를 외부로 돌리면서베이스 플리핑으로 알려진 현상을 보여줍니다. 다른 시뮬레이션에 따르면 조금 더 비틀어지면 추가베이스를 뒤집어 내부 DNA의 기포가 생깁니다. Zechiedrich는 이러한 기포가 복제 또는 유전자 발현을위한 트리거 포인트를 제공 할 수 있습니다. 이것은 단백질이 DNA에 걸리고 이러한 사건을 시작하는 표준보기에 도전합니다. "누가 세포 대사로 버스를 운전하고 있습니까?" Sumners가 말했다. "이것은 매우 역동적 인 과정입니다. DNA와 단백질은 각각 다른 행동이 어떻게 행동하고 반응하는지에 영향을 미칩니다."
.과학자들은 결과가 새로운 질문과 DNA의 모양과 유연성에 대한 새로운 고려를 고무시키기를 희망합니다. 뉴저지 Rutgers University의 생물 물리학 적 화학자 인 Wilma Olson은“이러한 실험은 특히 물리학 커뮤니티에서 많은 사고와 재고를 자극 할 것입니다.
수학자와 물리학 자들은 슈퍼 코일 DNA와 DNA 토폴로지가 세포에서 수행하는 역할에 오랫동안 흥미를 느꼈습니다. Sumners에 따르면,이 분야는 새로운 수학적 접근법으로 착취하기 위해 익었습니다. Sumners는“대자연은 분명히 여기에 메시지가 있습니다. "문제는 그것을 해석하는 방법입니다."
