Ученые обнаружили в крови странные четырехцепочечные генетические структуры 

Фото из открытых источников

ДНК мгновенно напоминает о своей знаменитой двойной спирали. Но генетический материал не всегда остается в этой привычной форме. Некоторые фрагменты могут сворачиваться в компактные четырехцепочечные структуры.

Эти необычные формы ранее наблюдались внутри клеток. Теперь ученые утверждают, что им удалось обнаружить их в сложенном виде в плазме крови человека.

Так зачем вообще ДНК присутствует в нашей крови?

По мере отмирания клеток по всему организму, они оставляют после себя небольшие фрагменты ДНК. Эти фрагменты попадают в кровоток подобно обрывкам послания, неся в себе ключи к пониманию того, что происходит внутри нас.

До сих пор ученые концентрировались на расшифровке сообщения: его генетических букв, длины каждого фрагмента и его расположении в геноме. Новое исследование, представленное в виде препринта на bioRxiv, предполагает, что способ сворачивания сообщения также может иметь значение.

Исследователи обнаружили четырехцепочечные структуры, называемые G-квадруплексами, или G4, в генетическом материале, полученном непосредственно из плазмы человека.

«Насколько нам известно, наше исследование впервые предоставляет прямые биохимические доказательства того, что свернутые структуры G-квадруплекса присутствуют в нуклеиновых кислотах, выделенных непосредственно из плазмы человека», — заявил молекулярный биолог Роберт Хенсель-Хертш из Кёльнского университета.

Структура G4 образуется, когда четыре копии генетической буквы гуанин соединяются, образуя крошечный квадрат. Несколько квадратов могут располагаться друг над другом, создавая компактную структуру, сильно отличающуюся от привычной двойной спирали.

Загадка началась, когда ученые заметили необычные фрагменты, известные как ультракороткая внеклеточная ДНК. Эти одноцепочечные фрагменты, длиной примерно в 50 генетических букв, были настолько малы, что могли проскальзывать сквозь сети, используемые стандартными методами захвата ДНК.

В некоторых из них содержалось достаточно гуанина для образования G4-структур, и компьютерный анализ указывал на ту же возможность.

Но найти нитку, из которой можно завязать узел, — это не то же самое, что найти уже завязанный узел. Команде нужно было поймать эти структуры в человеческой крови, пока они еще были сложены.

Это оказалось сложнее, чем кажется. Жесткие процедуры, используемые для извлечения ДНК из плазмы, могли разрушить хрупкие структуры или позволить молекулам перестраиваться во время эксперимента. Если в конце появлялась G4-структура, исследователи не могли знать, существовала ли она в кровотоке или была создана в лаборатории.

Поэтому команда придумала более щадящую ловушку. Они захватили генетический материал непосредственно из плазмы, не нагревая его и не используя этапы экстракции, которые могли бы нарушить его форму.

Затем они использовали два независимых детектора. Один представлял собой антитело, предназначенное для распознавания G4-структур. Другой представлял собой небольшую молекулу, которая светится при связывании с такой структурой.

Оба устройства издали сигнал.

Была также захвачена соответствующая генетическая последовательность, которая не могла свернуться, но она не дала никакого сигнала. Затем исследователи проверили результат, заставив два агента, обнаруживающих G4-структуры, конкурировать за одни и те же структуры. Каждый из них уменьшил сигнал, производимый другим, что указывает на то, что оба распознавали свернутые G4-структуры, а не случайным образом прикреплялись к захваченному материалу.

«Структура — это слой информации, а потенциально и биологических данных, который невозможно увидеть с помощью одного лишь секвенирования», — говорит Хансель-Хертш.

Но это открытие породило еще одну загадку.

Хотя исследование началось с ультракороткой ДНК, эксперимент не смог показать, были ли обнаруженные G4-структуры образованы из ДНК или РНК. РНК может сворачиваться в ту же четырехцепочечную форму, и детекторы распознают структуру, а не молекулу под ней.

Гензель-Херч называет это «реальным ограничением».

Следующим шагом будет обработка захваченного материала ферментами, разрушающими ДНК или РНК, перед повторным тестированием. Секвенирование свернутых молекул позволит установить их идентичность и геномное происхождение.

Учёные также не знают, какие ткани их высвободили, и складывались ли эти структуры внутри клеток или только после попадания в кровоток.

Что же они могут нам рассказать о здоровье?

G4-структуры часто встречаются в участках генома, участвующих в контроле генов, и повышенный уровень G4-структур наблюдался в нескольких типах опухолей. Это позволяет предположить, что циркулирующие в крови G4-структуры однажды смогут предоставить информацию о раке, которую невозможно получить, просто анализируя последовательности ДНК.

Но это не новый тест на рак.

Целью исследования было установить наличие свернутых G4-структур в плазме, а не сравнивать людей с раком со здоровыми участниками. Прежде чем рассматривать какое-либо диагностическое применение, исследователи должны идентифицировать молекулы и измерить их в тщательно охарактеризованных группах пациентов и здоровых добровольцев.

Только тогда они смогут понять, изменяет ли болезнь количество, происхождение или структуру этих складчатых структур полезным образом.

На данный момент исследование предлагает более фундаментальное — и неожиданное — послание. Генетические фрагменты в нашей крови могут быть не просто набором букв, ожидающих прочтения. Иногда способ складывания бумаги может быть частью этого послания. Ученые только начали учиться его читать.