DNA はおそらく、その象徴的な形状で最もよく知られています。これは、ジェームズ ワトソンとフランシス クリックが 60 年以上前に初めて記述した二重らせんです。しかし、分子が生きている細胞でその形を取ることはめったにありません。代わりに、二重らせん DNA はさらに複雑な形状に包まれ、他の分子との相互作用に重要な役割を果たします。ベイラー医科大学の生物物理学者で、いわゆるスーパーコイル DNA の研究を率いる研究者の 1 人である Lynn Zechiedrich 氏は、次のように述べています。 「それは、タンパク質によって捕捉されるのを待っている受動的な [分子] ではありません。」
Nature Communications に掲載された Zechiedrich の最新の調査結果 10 月に、スーパー コイル DNA の動的な性質を捉え、DNA の長年のパズルの 1 つに対する新しい解決策を指摘します。塩基として知られる遺伝コードの文字は、ヘリックス内に隠されています。では、そのコードを読み取り、DNA を複製する分子機構はどのようにしてアクセスできるのでしょうか?特殊なタンパク質は、分子が複製され、転写として知られるプロセスである RNA に変換されるときに、分子の小さなセグメントを解凍できます。しかし、ゼキードリッヒの研究は、DNA がどのように自然に開くかを示しています。 DNA をねじるだけで、タンパク質の助けを借りずに、内部の塩基を外部に露出させることができます。国立がん研究所の生物学者であるデビッド・リーベンスによる追加の研究は、転写自体が生きているヒト細胞のDNAをゆがめ、コイルのある部分を引き締め、他の部分でそれを緩めることを示しました.そのストレスが形状の変化を引き起こし、特にヘリックスを開いて読み取れるようにします。
この研究は、多くの細胞プロセスを導く可能性がある DNA トポロジーの未研究の言語を示唆しています。カリフォルニア大学デービス校の数理生物学者である Craig Benham は、次のように述べています。 「これは多くの生物学者にとって驚きだったと思います。」
リラックスする時間はない
スーパーコイル DNA を理解するために、ひもをねじることを想像してみてください。ひもを放すと、ほどけます。十分にひねると、元に戻ります。ねじれの程度によって弦に応力がかかり、弦の形状が決まります。
DNA も同様の方法で動作します。弦と同じように、最もリラックスした状態、つまり象徴的な二重らせんを好みます。しかし、DNA がリラックスすることはめったにありません。それは、それに結合する分子の絶え間ない猛攻撃にさらされています。つまり、DNAを解きほぐし、巻き戻し、複製する酵素です。どの遺伝子がアクティブで、どの遺伝子がサイレントかをマークする分子。そして、長い分子を扱いやすいサイズに詰め込むタンパク質。これらの分子はすべて、DNA を新しい形にゆがめ、単純な二重らせんの休息を妨げます。
Ｉｒｏｂａｌｉｅｖａ ＲＮら、Ｎａｔ．通信2015年
ビデオ: このシミュレーションは、スーパーコイル DNA の小さな円のダイナミックなダンスを示しています。
これらの相互作用は、すべての生命の基礎である細胞の内部の働きを表しています。たとえば、細胞が特定の遺伝子を活性化することを決定する方法には、適切な場所に適切なタイミングで分子が複雑に集合することが含まれます。タンパク質と DNA の相互作用は、医薬品の主要な標的となるだけでなく、疾患への洞察も示します。他の遺伝子に干渉することなく、がんに関連する遺伝子の活性化をブロックできる薬を想像してみてください。
残念ながら、生体分子は非常に簡単に形を変えてしまうため、これらの相互作用を研究することは非常に困難です。部品が絶えず変異していると、メカニックは車を修理するのに苦労するでしょう.
これらのナノスケールの相互作用の複雑な構造をキャプチャするために、科学者は通常、分子を結晶化し、カメラ用に形状を固定します。これらの研究の大部分は、扱いやすく、安価に作成できるため、緩和された DNA の短い鎖 (標準的な二重らせん形態) を使用しています。しかし、それは本当の姿を捉えていないかもしれません。弛緩した DNA は、多くの場合、細胞内で見られるものとは異なる振る舞いをし、あらゆる種類のタンパク質の周りでゆがみます.
Zechiedrich と彼女の共同研究者は、過去 20 年間、スーパーコイル DNA の小片を作成してきました。基本的に、彼らは短い DNA 鎖を取り、それを 1 回、2 回、3 回、またはそれ以上、コイルと一緒に、またはコイルに対してねじります。次に、端を接着します。最終結果は、一方向または別の方向にコイル状に巻かれた DNA の小さな円です。 Zechiedrich、彼女の共同研究者、ベイラーの同僚であるジョナサン・フォッグなどは、これらのねじれたコイルが微視的なバレエを通して踊り、シミーすることを示しました.各分子は、単純な円から 8 の字、ラケット、手錠、針、棒まで、さまざまな形をとることができます。タラハシーにあるフロリダ州立大学の数学者、De Witt Sumners は次のように述べています。 「しかし、小さな円に曲げると、デュプレックスが開いて多数の興味深い形状を採用します。これはまったく予想外です。」
Zechiedrich の研究室からの最新の研究は、これらの小さなリングのこれまでで最も鮮明な画像を提供します。研究者たちは、さまざまな形状の個々のサークレットの顕微鏡画像を撮影しました。リーズ大学の生物学者で共同研究者のサラ・ハリスが作成した高度な計算モデルと画像を組み合わせることで、各分子の正確な動きを予測することができました。
科学者たちはすでにスーパーコイル DNA がどのように機能するかを少しずつ知っていましたが、新しい論文での顕微鏡とモデリングの組み合わせは、より正確な全体像を作成するのに役立ちます。 「生物学界の大部分にとって、百聞は一見にしかず」と、テキサス大学ダラス校の生物物理学者で生物工学者のスティーブン・レヴィーン氏は述べた。彼はこの研究には関与していない。 「数学モデルを示すことはできますが、説得力のある構造データがなければ、人々に何が起こっているのか理解してもらうことは困難です。」
DNA露出
研究者たちは 1970 年代から、らせんの方向と逆方向に DNA をねじること (負のスーパーコイルと呼ばれる) が 2 本の鎖を分割できることを知っていました。この分割には 2 つの目的があります。溜まった分子ストレスを軽減し、らせん内に隠されたコードを露出させ、DNA を複製して RNA を作る分子機械へのアクセスを許可します。
しかし、その作業が完了するとすぐに、科学者はゲノムの基本文字の配列を読み取る新しい技術を開発し、遺伝子配列決定革命を開始しました。 「シーケンシングは多くの可能性を切り開いたが、誰もが脇道に追いやられたため、[構造] の問題は突然非常に時代遅れになった」と Benham 氏は述べています。
30 年間、ほとんどの科学者は、複雑な細胞ではスーパーコイルはおそらくあまり重要ではないと考えていました。複雑な細胞には、複雑な DNA を切断してもつれをほどく特別な酵素があります。これらの酵素は、厄介なストレスの蓄積を防ぐのに役立ちます.しかし、それらは 100% 効果的ではありません。 2008 年、国立がん研究所の生物学者である Levens は、ヒト細胞のスーパーコイルを検出したチームを率い、DNA の高次構造への関心を再燃させました。
Levens と共同研究者は、転写が DNA をねじり、その後にアンダーコイル (または負のスーパーコイル) の DNA の痕跡を残すことを発見しました。さらに、彼らは、DNA配列自体が分子がスーパーコイルにどのように反応するかに影響を与えることを発見しました。たとえば、研究者は、古いインナー チューブの弱点のように、ストレスがかかると開く傾向がある DNA の特定の配列を特定しました。このセグメントは、一種のケミカル クルーズ コントロールとして機能します。スーパーコイルの量が増減すると、分子機構が DNA を読み取るペースが遅くなったり速くなったりします。
Levens は、これらの構造変化は、DNA がその長さに沿って通信するのにも役立つと言います。内側のチューブを押すと弱点が膨らむように、DNA 分子の一部の形状が変化すると、その長さに沿って別の場所でストレスが発生し、それが遺伝子の調節に役立つ可能性があります。
この発見は、ハリスのモデルと一致しており、スーパーコイルがヘリックスの 2 つの鎖を分割し、通常はヘリックスの内側にある DNA 塩基を外側に回転させることができることを示しています。この現象は、ベース フリッピングとして知られています。他のシミュレーションでは、もう少しねじると追加の塩基が反転し、裏返しの DNA の泡ができることが示されています。 Zechiedrich は、これらの気泡が複製または遺伝子発現のトリガー ポイントを提供する可能性があると理論付けています。これは、タンパク質が DNA に引っ掛かり、これらのイベントを開始するという標準的な見方に挑戦します。 「細胞代謝のバスを運転しているのは誰ですか?」サムナーズは言った。 「これは非常にダイナミックなプロセスです。DNA とタンパク質はそれぞれ、他の機能や反応に影響を与えます。」
科学者たちは、この結果が新しい疑問を引き起こし、DNA の形状と柔軟性について新たな考察をもたらすことを望んでいます。ニュージャージー州ラトガース大学の生物物理化学者であるウィルマ・オルソンは、「これらの実験は、特に物理学コミュニティにおいて、多くの思考と再考を刺激するでしょう」と述べています。
数学者と物理学者は、スーパーコイル DNA と DNA トポロジーが細胞内で果たす役割に長い間興味をそそられてきました。サムナーズによれば、この分野は新しい数学的アプローチによる開発の機が熟している。 「母なる自然は明らかにここにメッセージを持っています」とサムナーズは言いました。 「問題はそれをどう解釈するかだ」
