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科学家发明一种荧光标记物,探索DNA结构在活细胞中所起的作用

时间:2021-01-20 09:41:20 点击:

  核心提示:去年7月,一组英国科学家发明了一种荧光标记物,它能够附着在人体活细胞中的G4上,首次证明在人体活细胞中,G4会作为一种正常细胞过程产生的稳定结构存在。 1953年,生物学迎来了一个重要里程碑...
去年7月,一组英国科学家发明了一种荧光标记物,它能够附着在人体活细胞中的G4上,首次证明在人体活细胞中,G4会作为一种正常细胞过程产生的稳定结构存在。



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1953年,生物学迎来了一个重要里程碑。生物学家揭开了遗传物质DNA结构的面纱——两股长链相互缠绕,形成了经典的双螺旋。这种结构也成了生物学中最具代表性的图案之一。


但事实上,这并不是DNA的唯一形态。DNA还可以形成其他一些更奇特的结构,比如由4股长链缠绕构成的“四螺旋”,这种结构也被称为DNA G-四联体(G4)。


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图片 四螺旋的DNA。| 图片来源:IC


DNA的不同结构形状会对与之相关的所有过程产生巨大影响,比如DNA的读取、复制,或者遗传信息的表达。因此这种结构独特的DNA一直吸引着生物学家的目光。


有关G4的研究在近半年来取得了一些重要进展。去年7月,一组英国科学家发明了一种荧光标记物,它能够附着在人体活细胞中的G4上,首次证明在人体活细胞中,G4会作为一种正常细胞过程产生的稳定结构存在。近日,帝国理工学院的研究人员又创造出了一种新型探针,使得人们进一步了解了这种奇异结构的DNA在活细胞内的活动。


G4最早出现在实验室的试管里,科学家起初并不确定它在自然中是否存在。直到2013年,剑桥大学的科学家通过设计一种独特的抗体,在人类癌细胞中首次检测到了这种结构。


研究表明,G4在癌细胞中具有较高浓度,因此被认为可能与这种疾病相关。还有一些证据指向,这种结构独特的DNA在许多重要的生物过程中可能发挥着重要作用。

然而,最早使用的检测技术要么需要杀死细胞,要么必须借助高浓度的化学探针观察。科学家一直希望在正常条件的活细胞中追踪G4的实际存在和活动。所缺失的关键一环是直接在活细胞中对这种结构进行成像,并理解它在活细胞中的活动。


问题是,在细胞内,双链DNA相对常见,G4则很罕见,这意味着,探测这类分子的标准技术很难针对G4进行特异性的检测。参与研究的Ben Lewis将这个问题形象地描述为“大海捞针,但针也是水做的”。


去年7月,研究人员在人体细胞中发现了G4的身影。研究证明,G4的形成和消失非常迅速,表明G4的形成可能只是为了履行某种功能,而且如果它们存在的时间持续太久,可能就会对正常的细胞过程造成负面影响。科学家认为,形成G4是为了暂时保持分子的开放性,从而帮助转录等基因表达过程发生。


在近期的新研究中,科学家使用了一种名为DAOTA-M2的化学探针,这种探针在G4存在时会发出荧光。但是研究人员没有选择监测荧光的亮度,而是监测了这种荧光持续的时间。这种信号不依赖于探针或G4的浓度,这意味着它可以用来明确地观察这些罕见的分子。


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图片 荧光寿命成像技术绘制出了活细胞中被新型探针染色的核DNA。不同的颜色代表9到13纳秒(红到蓝)的荧光寿命长度。| 图片来源:IC


团队利用这种新型探针研究了G4与两种解旋酶蛋白质的相互作用。他们发现,如果这些解旋酶蛋白质被去除,就会出现更多G4。这直接证明了解旋酶在分解G4中起到的作用。


研究人员还探索了活细胞中其他一些分子与G4相互作用的能力。如果引入细胞的分子与这种DNA结构结合,它将取代DAOTA-M2探针,并缩短荧光持续的时间。荧光寿命因此能够为研究人员带来许多信息。


新型探针揭示了G4是如何被某些蛋白质解旋的,还能够帮助识别与G4结合的分子,这使得科学家有能力探索活细胞的细胞核内的相互作用,从而进一步理解更多分子。它同样带来了研究治疗癌症等疾病的潜在药物的可能。


研究人员计划继续合作,改进探针的性能,进一步阐明这种特别的DNA结构在活细胞中所起的作用。

作者:不详 来源:网络
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