世界中の生物学者にとって、4月25日は縁起の良いものです。 それはDNAの日であり、科学者フランシス・クリック、ロザリンド・フランクリン、ジェームズ・ワトソン、モーリス・ウィルキンスがDNA分子のらせん構造を説明する独創的な科学論文を発表した1953年の日付を記念しています。 2003年、4月25日はヒトゲノムプロジェクトの完了を発表するために使用されました。 現在、この日の毎年恒例のお祭りは、新しい発見で生命の分子を祝います。 DNAの新しい姿を提供するのに最適な時期です。
私はDNA DAVE（または少なくとも1984年以来のナンバープレート）であり、私の研究室がやりたいことの1つはDNAを「見る」ことです。 DNAの画像を撮影して、通常は塩基と呼ばれるDNAの4つの化学ユニットをシーケンスする間接的な方法を使用して、定量化が困難なものを直接測定できるようにします。
X線回折を使用して撮影された最初のDNAの画像。 （レイモンドゴスリング/キングスカレッジロンドン） たとえば、各染色体のどこでDNA複製のプロセスが始まるかを知りたいです。 エラーのないDNAの複製は、健康な細胞を生産するために不可欠です。 このプロセスが不完全または中断されると、結果は癌や他の病気を引き起こす可能性があります。
私たちのイメージでは、この視点がズームアウトされているため、おなじみの二重らせん階段が表示されていません。国と都市の地図を見るようなものです。 また、これらの各分子は、らせん階段の5万回転に相当します。これは、ヒト染色体のかなりの部分です。
DNAの地図を作成する
この画像は、Bionano Genomics Saphyrイメージャーと呼ばれるデバイスで撮影され、青、緑、赤の色の個々のDNA分子を特徴としています。 これらのDNA鎖は、1本のDNAのみに適合する細い管（ナノチャネルと呼ばれる）に通すことで整列されています。 DNAがチューブに滑り込むと、鎖がまっすぐになります。
DNA分子全体が青く着色され、緑の目盛りが目印、つまり平均4, 500塩基対ごとに発生する特定のDNA配列です。 ランドマークのパターンは、染色体の長さに沿った位置を示すユニークな指紋を提供します。 赤い蛍光ブリップは、DNAが複製し始めた場所にタグを付けます。 これらのサイトは「複製の起点」と呼ばれ、複製プロセスを開始できるようにDNAが最初に巻き戻される場所です。
サンディエゴのBionano Genomicsの研究者は、このナノチャネル技術を開発して、4つの塩基の順序を決定するのが困難な複雑な遺伝子配列のために、それ以外ではマッピングできない染色体領域をチャート化しました。 このデバイスは、一度に1つの分子上の配列の配列を「見る」ことで問題を解決し、1時間で300億塩基対を読み取ることができます。これは、10のヒトゲノムに相当します。
私のチームとマサチューセッツ大学のニックリンドのチームは、このナノチャネルテクノロジーにより、これまでにない試みが可能になることを認識しました。数百万本のDNA繊維で同時にDNA複製が始まるすべての場所をマップします。
細胞が2つの独立した細胞に分裂する前に、DNAはそれ自身のコピーを作成して、それぞれが染色体の完全なセットを受け取るようにしなければなりません。 遺伝物質がどのように複製されるかを理解するには、染色体のどこでプロセスが始まるかを知ることが不可欠です。 それは、私たち自身の染色体の複製がどのように起こり、その結果、複製がうまくいかない癌のような多くの病気で何が悪いのかを研究する最大の挑戦でした。
DNA複製とがん
細胞が分裂するたびに、DNA二重らせんはそれ自体を複製して、両方の細胞に遺伝的指示のコピーを提供する必要があります。 （Soleil Nordic / Shutterstock.com） 複製の起源は、異なる分子の多くの部位で発生するため、とらえどころのないものでした。したがって、単一のDNA分子を見てそれらを検出する必要があります。 科学者は1960年代初期から単一のDNA分子を見ることができましたが、分子が染色体のどこから来たのかわからなかったため、何もマッピングできませんでした。
カイルクライン博士 私の研究室の学生は、BionanoデバイスでマッピングされたDNA複製が行われている場所をマークする赤色蛍光分子で生きたヒト幹細胞にラベルを付けました。 これらの画像は、同じDNA分子の青と緑のDNAマップに重ねられました。
この方法は、ヒトの染色体がどのように複製されるかについての理解を完全に変えるものと期待しています。 さらに、私たちの環境のほとんどの癌治療用の化学療法薬とほとんどの発癌物質または癌を引き起こす化学物質は、複製するときにDNAを攻撃することにより機能するため、これらの化学物質がDNA複製をどのように破壊するかについての迅速かつ包括的なテストを提供することが期待されます。 また、これらの負の結果をどのように緩和し、より良く毒性の低い化学療法治療を開発するかを明らかにすることを願っています。
この記事はもともとThe Conversationで公開されました。
デビッド・M・ギルバート、フロリダ州立大学分子生物学教授
