七年後又獲進展,英國科學家首次在人體活細胞中觀察到四螺旋DNA形成

2020-12-02 澎湃新聞

原創 轉網 轉化醫學網

本文為轉化醫學網原創，轉載請註明出處

作者：Cathy

導言：1953年，沃森和克裡克發現了DNA雙螺旋的結構，開啟了分子生物學時代，使遺傳的研究深入到分子層次，「生命之謎」被打開。近日，英國科學家首次在活細胞中觀察到四螺旋DNA的形成。

2013年，在DNA雙螺旋結構發表60周年之際，劍橋大學化學系教授Shankar Balasubramanian帶領的團隊首次宣布在人體基因組中發現四螺旋DNA結構，這些結構主要存在於DNA中富含鳥嘌呤（G）的部分，並將其稱為「G-四聯體」（G4s），但當時還不清楚G-四聯體在基因組中的具體位置和功能，只是猜測它可能與某些癌症基因存在關聯。

到2016年，他們發現G-四聯體存在於調控基因特別是癌症基因的DNA區域內，這表明它們扮演著基因開關的角色。

先前的研究都需要殺死細胞或使用高濃度的化學探針來觀察G4的形成過程，因此研究人員還未在正常的活細胞中追蹤到它們的實際存在。

這一次，Shankar Balasubramanian帶領的團隊聯合倫敦帝國理工學院和利茲大學的研究人員，發明了一種螢光標記，該標記能夠附著在人體活細胞中的G4上，這使他們首次觀察到該結構的形成方式及其在活細胞中的作用。

該研究於7月20日發表在《自然化學》上。題為「Single-molecule visualization of DNA G-quadruplex formation in live cells」

研究人員使用一種G4特異性螢光探針（SiR-PyPDS），該探針能夠對活細胞中的單個G4結構進行單分子實時檢測。G4s的活細胞單分子螢光成像是在使用低濃度SiR-PyPDS（20 nM）的條件下進行的，以提供代表活細胞中G4種群的信息性測量，而不會整體擾亂G4的形成和動力學。活細胞中未摺疊G4的單分子螢光成像和實時化學捕獲顯示，G4在摺疊狀態和未摺疊狀態之間波動。研究人員還證明，活細胞中的G4形成是細胞周期依賴性的，並受到轉錄和複製的化學抑制幹擾。

圖解摘要

重新思考DNA的生物學

首席研究員Marco Di Antonio博士說：「這是第一次，我們能夠證明四螺旋DNA是由正常細胞過程產生的穩定結構，並存在於我們的細胞中，這迫使我們重新思考DNA的生物學，這是基礎生物學的一個新領域，並可以為癌症等疾病的診斷和治療開闢新的途徑。

「現在我們可以實時追蹤細胞中的G4，並可以直接研究它們在生物學上的作用。我們知道它在癌細胞中似乎更為普遍，現在我們可以探究它在發揮什麼作用，以及如何阻止它，從而可能設計出新療法。」

研究小組認為，G4s在DNA中形成是為了暫時保持其開放並促進轉錄等過程，在該過程中細胞讀取DNA指令並製備蛋白質。這是「 基因表達 」的一種形式，其中DNA中的部分遺傳密碼被激活。

G4似乎更常與癌症相關的基因相關聯，並在癌細胞內被大量檢測到。研究小組表示，由於現在能夠一次成像單個G4，因此他們可以追蹤其在特定基因中的作用，以及它們在癌症中的表達方式。這些基本知識可能會揭示出阻斷該過程的藥物新靶標。

自然形成

該團隊能夠在對單個G4的成像方面取得突破，得益於對通常用於探測細胞工作的機制進行了重新思考。以前，研究小組使用的抗體和分子可以識別並附著在G4上，但是這些抗體和分子需要非常高濃度的「探針」。這意味著探針分子可能會破壞DNA，反而導致它們形成G4，而不是檢測到G4的自然形成。

Aleks Ponjavic博士聯合領導了David Klenerman教授實驗室的研究，並開發了用顯微鏡觀察這一新螢光標記的方法。他說：「科學家們需要特殊的探針來觀察活細胞中的分子，但是這些探針有時會與我們試圖觀察的物質發生相互作用。通過單分子顯微鏡，我們可以觀察到比以前使用的探針濃度低1000倍的探針。在這種情況下，我們的探針僅與G4結合幾毫秒而不影響其穩定性，這使我們能夠在不受外部影響的情況下研究G4在其自然環境中的行為。」

對於新探針，研究小組使用了一種非常「明亮」的小劑量螢光分子，該分子能夠輕易粘附在G4上。小劑量意味著他們並不需要對細胞中的每一個G4進行成像，而是可以識別和跟蹤單個G4，這樣他們就可以理解它們的基本生物學作用，而不會影響它們在細胞中的總體患病率和穩定性。

研究小組還發現G4s的形成和消散速度非常快，這表明它們的形成只是為了執行某種功能，如果持續時間過長，它們可能對正常細胞產生毒性。

參考：

【1】https://medicalxpress.com/news/2020-07-formation-quadruple-helix-dna-tracked.html

【2】https://www.nature.com/articles/s41557-020-0506-4

【3】https://tech.sina.com.cn/d/2013-01-23/09278006606.shtml

【4】http://www.most.gov.cn/gnwkjdt/201609/t20160927_127936.htm

原標題：《【Nature子刊】七年後又獲進展！英國科學家首次在人體活細胞中觀察到四螺旋DNA形成》

閱讀原文

相關焦點

  • 發光探針在人體活細胞中發現罕見的四螺旋DNA
    編輯/文龍科學家通過一種新型探針在人體活細胞內看到了與分子相互作用的四鏈DNA，並揭示了其在細胞過程中的作用。眾所周知，人體內的DNA通常是兩條纏繞在一起的鏈組成的經典雙螺旋結構。儘管DNA可以在試管中形成各種奇特的形狀，但在實際的活細胞中卻很少見。但是，最近在人類細胞中發現了自然形成的四鏈DNA，也稱為G-四聯體。
  • 雙螺旋升級了:人體首次發現四螺旋DNA
    眾所周知，DNA是生物體發育和正常運作必不可少的大分子，其結構為雙螺旋。但是這一結構有時會加倍。如今，研究人員首次在健康人體細胞中發現了四螺旋DNA結構。此前研究人員曾在一些癌細胞和實驗室的化學實驗中發現四螺旋DNA，這是第一次在健康的人類活體細胞中發現這種結構，而且它是由正常細胞過程產生的穩定結構。「毫無疑問，我們已經證明了四股DNA可以在活細胞中形成。這迫使我們重新思考DNA的生物學特徵。」英國帝國理工學院的Marco Di Antonio說。
  • 首次在人活細胞中追蹤到DNA的四重螺旋結構的形成
    來源：CC0 Public Domain早在1953年，沃森和克裡克首次揭開DNA的結構之謎。從那以後，DNA的雙螺旋結構便深入人心。近幾年，一種「四螺旋」的 DNA 結構如雨後春筍般地從科研界中「冒」了出來，這種結構通常被稱為G-四鏈體（G4s）。先前的研究發現，G4s在癌細胞內被大量檢測到，可能與癌症相關基因關係密切，並且推測G4s或許可以用作早期癌症診斷和治療中新的分子靶標。
  • Nature子刊:首次在人類活細胞中「看見」DNA四螺旋,癌細胞中更多
    原創 BioWorld BioWorld撰文：nagashi導讀：四螺旋DNA不僅不會讓你變超人，還會讓你得癌症？英國劍橋大學等研究機構的研究人員首次實現活細胞四螺旋DNA的單分子可視化，並對其功能進行解析！
  • 科學大發現 DNA不只雙螺旋
    該團隊確定的新DNA成分被稱為嵌入基序（i-motif）結構，該結構最早在20世紀90年代由研究人員發現，但到目前為止只有在體外見過，而不是在活細胞中。因為這個所謂的i-motif喜歡酸性環境（科學家可以在實驗室中創造一種條件，但不會在體內自然發生），許多科學家認為它不可能存在於人體細胞中。
  • 研究證明:人類基因組中存在四螺旋DNA結構
    劍橋大學研究證明：人類基因組中存在四螺旋的DNA結構。圖為四螺旋DNA結構模型　　【搜狐科學消息】據國外媒體報導，劍橋大學最新的研究證明，人類基因組中存在四螺旋的DNA結構，科學家稱該研究成果與人類發現DNA結構具有同樣的歷史意義。
  • 科學家首次在人體細胞內發現一種新的DNA結構,不是雙螺旋!
    I-motif是一個四股DNA鏈的結，在這種結的結構中，同一條DNA鏈上的C會彼此結合。這與雙螺旋結構中的情況十分不同，在雙螺旋中，相對鏈上的字母可以相互識別，例如C會與G結合。雖然研究人員之前就已經觀測到了 i-motif 的存在，並對其進行了詳細的研究，但這一現象僅在體外研究中被發現過（即在實驗室的人工條件下），而不是在細胞內。從事這一領域的科學家一直在探討i-motif 「結」是否能夠存在於活細胞內部。新的發現終於對這一問題進行了解答。
  • 英研究首次發現人類DNA存在四鏈螺旋結構
    英研究首次發現人類DNA存在四鏈螺旋結構 原標題 [英研究首次發現人類DNA存在四鏈螺旋結構] 　　新華網倫敦
  • 人體確認存在新的DNA結構,或與人類衰老、癌症有重大關聯
    不過，在當時，科學家們認為，i-motif 偏好的環境是可以在實驗室內創造的，但似乎不會在體內自然發生，因此科學家認為它不可能存在於人體細胞中。而且，在此次發現之前，科學家也只有在體外見過它，而不是在活細胞中。因此，人們對於這種結構的意義曾充滿質疑。
  • DNA 不僅能形成「雙螺旋」,還會產生「四螺旋」結構
    然而 DNA 的構造還有其他可能性，英國劍橋大學先前就已發現細胞中尚有一種「四螺旋」的 DNA 結構，主要發生於富含「鳥嘌呤」（Guanine，G）的區域，因此也稱作「G-四聯體」（G-quadruplex）。進一步科學家還發現 G-四聯體常出現於癌症相關基因的 DNA 區域內，很可能扮演著開啟或關閉這些基因的角色，因此四螺旋於癌症治療也有其重要性，也希望新藥研發公司能重視此生物學的基礎發現。
  • 科學家發現四鏈螺旋結構DNA
    【英國《新科學家》周刊1月20日報導】題：人類細胞中發現DNA四鏈螺旋結構　　在詹姆斯?沃森和弗朗西斯?克裡克確立了DNA為雙螺旋結構這一理論60年之後，一種四鏈螺旋結構DNA出現了。　　由4條而非兩條DNA鏈盤繞形成的四鏈螺旋結構此前就已在實驗室中獲得，但由於沒有證據表明該結構在大自然中存在，因此其被認為是偶然現象。
  • 人體細胞內存在全新DNA結構
    科技日報北京4月24日電 （記者劉霞）據美國每日科學網站23日報導，澳大利亞科學家首次在人體活細胞內發現了一種新的DNA結構——被稱為「i-基元」（i-motif）的「DNA扭結」。這表明，除了眾所周知的雙螺旋結構外，人類DNA還擁有更複雜的結構，這些結構也影響著我們的生物學功能，對其進行深入研究，將促進我們對DNA的理解。
  • Nat Genet:科學家首次發現四倍螺旋DNA 或助力靶向性癌症療法的開發
    圖片來源：medicalxpress.com2016年9月21日 訊 /生物谷BIOON/ --近日，一項發表在國際雜誌Nature Genetics上的研究報告中，來自英國癌症研究劍橋學院等機構的研究人員通過研究在人類細胞的基因組中鑑別出了四股
  • 四鏈DNA結構首次在乳腺癌細胞中發現
    1953年4月25日，來自英國劍橋大學的兩位科學家Francis Crick和James Watson在《Nature》發文，率先提出了如今眾所周知的雙螺旋DNA模型，這一發現後來被稱為分子生物學時代的開端。
  • 「七年之癢」是因為七年後人體細胞會更新一遍嗎?
    流言說：愛到七年走到終結。人體的細胞會新陳代謝，每三個月會替換一次，隨著舊細胞的死去，新細胞華麗誕生。由於不同細胞代謝的時間和間隔的不同，將一身細胞全部換掉。需要七年，也就是說，在生理上，我們每七年就是另外一個人。你就是你，但你也不是你了。
  • 科學家首次在動物細胞中觀察到微管分支形成過程
    Thomas Maresca和高級研究員Vikash Verma表示，他們第一次在動物細胞中直接觀察和記錄到了一種叫做分支微管成核的通路，這是一種在細胞分裂過程中存在的機制，並且已經在細胞提取物和植物細胞中被觀察到，但尚未在動物細胞中獲得證實。
  • 人體細胞內存全新DNA結構 或與基因打開和關閉有關
    細胞內部i-基元DNA結構的藝術圖。圖片來源：每日科學網站（記者劉霞）據美國每日科學網站23日報導，澳大利亞科學家首次在人體活細胞內發現了一種新的DNA結構——被稱為「i-基元」（i-motif）的「DNA扭結」。這表明，除了眾所周知的雙螺旋結構外，人類DNA還擁有更複雜的結構，這些結構也影響著我們的生物學功能，對其進行深入研究，將促進我們對DNA的理解。
  • 人體細胞七年更新一次?此刻的我們為何時的我們而活?
    人體細胞七年更新一次？我知道大部分人都是被這標題吸引過來的，為了不讓你在離開這個頁面之時有所誤解，我會先將第一個問題的答案給出，即「人的細胞七年更新一次」這種說法是不正確的，最起碼是很片面的一種說法，在我們體內有的細胞更新速度快（如：血小板的更新周期只有三天），而有些細胞更新速度比較慢，甚至有些細胞壓根就不會更新（如：神經細胞）。
  • 人體細胞沒有「七年之癢」(科普之窗)
    細胞的正常代謝，不會讓你變成一個不同的人。「七年之癢」，與大腦中神經細胞突觸連接的變化有關，因為突觸連接的數目和連接強度決定了我們的感官思維記憶。「七年之癢」，也與多巴胺的分泌及基因有關。　　　　現在「七年之癢」已成為感情變化的專用描述，也成為許多人失戀療傷金句。
  • 美科學家拍攝到人體受損DNA修復重要環節
    美國加州大學戴維斯分校研究人員表示，他們觀察和拍攝到了人體受損DNA被修復過程中的一個重要階段 美國加州大學戴維斯分校研究人員表示，他們觀察和拍攝到了人體受損DNA被修復過程中的一個重要階段 在現實生活中，人體的DNA不斷地遭受紫外線、菸草以及大量天然和人造化合物等有害物質的侵擾，並因此受到損傷，誘發癌症、細胞死亡和突變等現象。然而，當DNA受損時，人體中的特定蛋白和酶會被動員起來採取修復行動。 Rad51蛋白在受損DNA修復行動中起到了關鍵作用，它在細胞內始終處於待命狀態。