СТРЕС ЈЕ ЧУДО, ЗАПЕТЉАВА И ДНК Ево како то утиче на гене и „одлучује“ који ће се укључити и када?

Научници су открили да уврнути облици у ДНК, који су годинама погрешно сматрани чворовима, у ствари представљају нешто сасвим друго.

Унутар ћелија, ДНК се увија, копира и раздваја. Та увијања могу да утичу на функционисање гена, односно на то који ће се укључити и када. Проучавање начина на који ДНК реагује на стрес може помоћи научницима да боље разумеју како се гени контролишу, како је молекул организован и како проблеми у тим процесима могу да допринесу настанку болести.

Годинама истраживачи користе нанопоре – ситне рупе довољно широке да кроз њих прође један ланац ДНК – како би брзо и јефтино читали ДНК секвенце. Ови системи функционишу мерењем електричне струје која пролази кроз нанопору. Када молекул ДНК пролази кроз њу, он ремети струју на специфичан начин који одговара сваком од четири „слова“ ДНК кода: А, Т, Ц и Г.

Неочекивана успоравања или скокови у сигналу често су тумачени као чворови у ДНК. Али нова студија, објављена у часопису Physics Review X, показује да ове промене могу указивати и на плектонеме – природне спирале које се формирају када се ДНК увија под стресом.

„Чворови и плектонеме могу изгледати врло слично у сигналима нанопора. Али они настају из врло различитих физичких механизама. Чворови су попут запетљаних, а плектонеме су више попут увијених опруга, насталих услед обртног момента“, наводи вођа и аутор студије Улрих Кајзер, физичар са Универзитета у Кембриџу.

Да би проучили ове спирале, истраживачи су пропуштали ланац ДНК кроз конусну нанопору у сланом раствору са високом pH вредношћу. Раствор је створио електроосмотски ток, због чега је ДНК почела да се окреће при уласку у пору. То кретање је створило довољно јак обртни момент да увије молекул ДНК, објашњава Кајзер.

Тим је такође примењивао електрични напон преко нанопоре како би помогао пролазак ДНК и мерио промене у електричној струји.

„У оваквим наноскалним системима све је веома тромо, па се ДНК креће готово као да плива кроз мед. То је веома вискозна средина, па релативно велике силе гурају ДНК у овом покрету налик на отварање чепа“, рекао је Кајзер.

Истраживачи су анализирали на хиљаде оваквих догађаја. Док су се понекад појављивали и чворови, они су углавном били мањи – око 140 нанометара у пречнику – док су плектонеме биле око 2.100 нанометара. Са повећањем напона у систему, плектонеме су постајале чешће због већег обртног момента.

Да би додатно тестирали утицај увијања, истраживачи су направили мале прекиде, такозване „никсе“, на једном ланцу ДНК двоструке спирале. Ови прекиди су омогућили ДНК да се лакше ротира и ослобађа нагомилану напетост, што је довело до мањег броја плектонема. То је потврдило да је торзиони стрес кључни фактор у њиховом настанку.

„Када смо контролисали способност молекула да се ротира, могли смо да променимо колико често се јављају плектонеме“, рекао је Кајзер.

Увијање утиче на преписивање и репликацију ДНК

Иако се нанопоре веома разликују од живих ћелија, овакве плектонеме могу се формирати и током процеса као што су транскрипција и репликација ДНК. Транскрипција означава преписивање ДНК кода у молекул РНК који се шаље у ћелију, док репликација описује потпуно удвостручавање молекула ДНК, што се дешава при деоби ћелије.

„Верујем да увијање у молекулима може довести и до стварања i-мотива и G-квадруплекса“, рекао је Кајзер, наводећи два специфична типа чворова у ДНК. Оно што су открили у лабораторијској студији, објаснио је, вероватно има импликације и у живим ћелијама.

Кајзер и његов тим већ дуже време истражују како се плектонеме и друге ДНК структуре формирају током природних процеса као што је транскрипција.

У ранијем раду, испитивали су утицај торзионог стреса на репликацију ДНК. Нанопоре научницима не само да омогућавају да читају ДНК, већ и да посматрају њено понашање, наглашава ова студија.

„Само чињеница да молекул ДНК може да се провуче кроз пору, иако је његова крутост много већа од пречника поре, заиста је невероватна. Он је 10, 50, чак и 100 пута крући од саме поре. Ипак, савија се и пролази“, рекао је Славен Гарај, физичар са Националног универзитета у Сингапуру који није учествовао у студији.

Гарај је изразио одушевљење резултатима. У будућности, „можда ћемо моћи да раздвојимо торзију изазвану нанопором од оне која је већ постојала у ДНК. То би нам омогућило да на нов начин истражујемо природно суперувијање“, додао је он.