DNA-byggesten er ens på tværs af arter

tirsdag 20 okt 15

Kontakt

Jakob Bohr
Professor
DTU Compute
Professor Jakob Bohr, DTU Nanotech, regner på en teori om, hvorfor en bestemt byggesten i kromosomer er ens hos dyr, mennesker og planter.

En enkelt cylinderformet bestanddel af DNA’et har samme diameter, uanset om den sidder i en bananflue, et bøgetræ eller et menneske. Den lille byggesten i DNA-arkitekturen indgår i det, der hedder nukleosomet (Se figur b i illustrationen nedenfor). Nukleosomets diameter har længe fascineret professor Jakob Bohr fra DTU Nanotech. For hvorfor er den ens på tværs af arter; hvilket universelt princip eller hvilken naturlov er på spil?

”Som fysiker forsøger jeg at finde svarene på disse spørgsmål inden for matematikkens og fysikkens verden. Og her viser vores udregninger, at nukleosomernes størrelse giver rigtig god mening. De skaber nemlig det, vi har valgt at kalde ’twist-neutralitet’,” forklarer Jakob Bohr, der har studeret nukleosomernes diameter sammen med sin kollega Kasper Olsen.

”Twist-neutralitet sikrer, at de mange snoninger i DNA-materialet hele tiden har det samme antal, således at den mindste struktur i dna-arkitekturen, DNA-helixen, kan strækkes, uden at det påvirker antallet af snoninger. Det har naturen brug for, blandt andet hver gang DNA-materialet skal kopieres, for eksempel ved celledeling. Med twist-neutralitet undgår vi, at snoningerne kludrer sammen og skader vores DNA,” siger Jacob Bohr.

"Med twist-neutralitet undgår vi, at snoningerne kludrer sammen og skader vores DNA"
Professor Jakob Bohr, DTU Nanotech

Nukleosomet er kun en lillebitte del af den komplicerede DNA-arkitektur. Hver eneste celle indeholder samlet over en meter DNA, og for at få plads til det, er DNA’et snoet og foldet sammen adskillige gange. Dette fører til dannelsen af, hvad der kan opfattes som forskellige niveauer af strukturering, og lidt afhængigt af hvad der kaldes et niveau, fås i alt otte sådanne niveauer.

”Hvert niveau ændrer skalaen af vores arvemateriale med en faktor på omtrent tre - på samme måde som hvis man folder et stykke papir gentagne gange, så ændres tykkelsen med en faktor to hver gang. Denne komprimering af DNA sikrer, at det kan være inde i cellens kerne,” siger Jacob Bohr.

DNA’ets øverste niveau er kromosom-strukturerne, hvor kønskromosomerne X og Y er de mest kendte. Nederste niveau, dvs. den mindste struktur af DNA-arkitekturen, er dobbelt-helixen, som er den iøjnefaldende spiral af to DNA-strenge, der snor sig rundt om hinanden.

Kromosomets arkitektur  

   

 Illustrationen viser en meget forsimplet tegneserie-agtig gengivelse af DNA’ets organisering. Organiseringen tjener til at komprimere det over en meter lange DNA, så det kan være inde i cellens kerne. Hvis du 'læser' figuren baglæns dvs. fra H til A, svarer det til, at du starter med at se på et kromosom, og dernæst 'zoomer ind' trin for trin, så du til sidst ser kromosomets mindste struktur, som er DNA-helixen i figur A.

Figur A Den velkendte dobbelthelix - spiralen med de to DNA-strenge er den mindste struktur i kromosomet. Her er den gengivet uden de basepar, der forbinder de to strenge, og som får spiralen til at ligne en snoet stige.

Figur B viser, hvordan dobbelthelixen bliver snoet to gange rundt om en cylindrisk kerne af proteiner. Denne struktur kaldes for et nukleosom. Det er diameteren af denne struktur, som er ens på tværs af forskellige arter, og som optager professor Jakob Bohr. Proportionerne i denne figur svarer ikke til virkeligheden, hvor DNA-helixen i omfang fylder lige så meget som proteinkernen.

Figur C viser rækken af nukleosomer, som får strukturen til at ligne en perlekæde.

Figur D-G illustrerer de næste niveauer, hvor DNA-materialet yderligere foldes sammen. Geometrien i disse niveauer er ikke fuldt afklarede endnu.

Niveau H er konturerne af det kromosom, som vi kan se det i et mikroskop.

Snoningers naturlove

På niveauet før dette er dobbelt-helixen snoet to gange rundt om en samling af proteiner. Det er denne struktur, der kaldes for et nukleosom. Der skal mange nukleosomer til, for at hele dobbelt-helixen er viklet op, og det får strukturen til at ligne en perlekæde, hvor perlerne er nukleosomerne, og kæden er dobbelt-helixen. Jakob Bohrs og hans kollegers udregninger viser, at hvis nukleosomerne havde en anden diameter, ville twist-neutralitet ikke eksistere.

”Det ville ikke være godt, for så kunne der opstå nye, uhensigtsmæssige strukturer i DNA’et. Derfor mener vi, at årsagen til, at nukleosomernes størrelse er ens på tværs af arter, er, at naturen ingen fordele har ved at udvikle eller ændre på denne størrelse. Ellers havde vi nok set det som en del af evolutionen,” uddyber Jakob Bohr.

Ny teknik skal hjælpe

Det langsigtede mål med forskningen i nukleosomernes diameter er at bidrage til en fuldkommen beskrivelse af geometrien i DNA. Dette kan medvirke til at afdække generelle principper for kromosomernes opbygning, så vi får en mere detaljeret forståelse af dem.

”For selvom vi kan gå helt ned på genniveau på dobbelt-helixen – det nederste niveau i kromosomet – så er flere af de otte niveauer stadig ukendte. Vi ved ganske enkelt ikke, hvordan strukturerne ser ud på nogle af niveauerne,” siger Jakob Bohr.

Ifølge Jakob Bohr har forskerne i dag ikke en passende teknologi, der kan afdække strukturerne fuldstændigt på samtlige niveauer i kromosomerne. Men det regner han med, vil komme inden for de næste 10-15 år, blandt andet gennem den øvrige forskning i bioinformatik og de nye faciliteter som ESS og MAX IV i Lund.

Relaterede Videoer  

Vis flere