Tag Archives: DNA

CƠ CHẾ TRUYỀN TÍN HIỆU TẾ BÀO

CƠ CHẾ TRUYỀN TIN

Cơ sở sinh học phân tử tế bào

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long

Chức năng của lộ trình tín hiệu tế bào là để chuyển thông tin từ ngoại vi tế bào đến các chất tác hiệu bên trong. Có nhiều cơ chế truyền tin mà nhờ đó thông tin được chuyển vào các lộ trình tín hiệu. Sau đây ta sẽ lần lượt tìm hiểu các cơ chế đó. Chi tiết từng quá trình sẽ được trình bày trong các chương sau.

Hình 40.1:Các mô hình truyền tin khác nhau.

Cơ chế conformational-coupling (sự gắn kết có biến đổi cấu dạng)

Thông tin có thể được chuyển từ một nguyên tố tín hiệu đến một nguyên tố tín hiệu tiếp theo nhờ vào quá trình conformational-coupling. Nếu những thành phần thường là protein này đã liên kết với thành phần khác thì cơ chế truyền tin sẽ xảy ra rất nhanh. Một ví dụ kinh điển cho cơ chế conformational-coupling là sự co và giãn cơ bám xương – nơi mà kênh CaV1.1 týp L sẵn sàng nối kết với thụ thể ryanodine (RYR1). Một ví dụ khác là sự kết hợp giữa kênh Ca2+ phụ thuộc điện thế với protein để đáp ứng với hiện tượng xuất bào của các túi synaptic.

Sự conformational-coupling cũng được dùng khi thông tin được chuyển đi bởi sự khuếch tán của các nguyên tố tín hiệu. Những phân tử truyền tin thứ hai có khối lượng phân tử thấp (Ca2+, cAMP, cGMP và ROS) hoặc các protein như ERK1/2 hay nhiều yếu tố phiên mã được hoạt hóa khác di chuyển từ tế bào chất vào nhân mang theo thông tin trong suốt quá trình di chuyển trong tế bào chất của chúng. Trong quá trình chuyển giao thông tin này, những nguyên tố có khả năng khuếch tán này sử dụng cơ chế conformational-coupling để truyền thông tin khi nó gắn vào các yếu tố thuận dòng khác.

Post-translational modifications (Điều hòa hậu dịch mã)

Hệ thống thông tin sử dụng rất nhiều protein post-translational modification để chuyển thông tin trong suốt lộ trình tín hiệu. Cơ chế cơ bản là khi chất kích thích hoạt hóa thành phần A, thành phần A này sau đó sẽ hoạt động trên thành phần B để tạo ra sự biến đổi cấu trúc trong suốt sự điều chỉnh. Sự điều chỉnh này thực hiện chức năng truyền tin của nó và thông thường rất chuyên biệt do vậy nó trực tiếp thay đổi cấu trúc các tiểu phân amino acid trên protein bằng các cách sau đây:

–          Phosphoryl hóa protein.

–          Oxi hóa protein.

–          Acetyl hóa protein.

–          Methyl hóa protein.

–          Sumoyl hóa.

–          Ubiquitin hóa. (đã được trình bày ở một chương khác)

Sự phosphoryl hóa protein

Protein kinase và phosphatase biến đổi hoạt tính của protein bằng cách gắn hoặc loại bỏ góc phosphate. Tế bào biểu hiện một lượng khổng lồ các protein kinase đáp ứng cho các thành phần tín hiệu như là một cơ chế truyền tin chính. Trong một vài trường hợp, các kinase có thể phosphoryl hóa lẫn nhau để tạo ra một dòng thác tín hiệu. Ví dụ kinh điển cho trường hợp này là lộ trình tín hiệu MAPK. Các kinase được chia thành hai nhóm chính phụ thuộc vào tiểu phân amino acid nó phosphoryl hóa gồm có: Tyrosine kinase và serine/threonine kinase. Những kinase này có nhiều hình dạng khác nhau và đều là một thành phần chức năng không thể thiếu của các thụ thể trên màng tế bào. Ngoài ra, các kinase không phụ thuộc thụ thể cũng có tác dụng trong nhiều vùng khác nhau của tế bào.

Các kinase này có thể trở thành yếu tố khởi phát cho một lộ trình tín hiệu của các thụ thể tyrosine kinase và serine/threonine kinase.

Phần lớn các kinase không liên quan đến thụ thể nhưng hoạt động trong tế bào như một phần của dòng thác tín hiệu nội bào. Họ Src, Lck, Lyn, Fyn và Syk là những kinase không liên quan đến thụ thể là thành phần quan trọng trong các lộ trình tín hiệu của tế bào T và dưỡng bào. Họ Tec tyrosine kinase cũng đóng vai trò quan trọng trong sự truyền tin sớm của lymphocyte.

Hầu hết các lộ trình tín hiệu sử dụng non-receptor serine/threonine protein kinase như một vài chặn trong suốt quá trình truyền tin. Sau đây là vài ví dụ về những kinase quan trọng:

–          AMP-activated protein kinase (AMPK)

–          β-adrenergic receptor kinase 1 (βARK1)

–          Casein kinase I (CKI)

–          CDK-activating kinase (CAK)

–          Cyclin-dependent kinase (CDKs)

–          cGMP-dependent protein kinase (cGK)

–          DNA-dependent protein kinase (DNA-PK)

–          Glycogen synthase kinase-3 (GSK-3)

–          Integrin-linked kinase (ILK)

–          LKB1

–          Myosin light chain kinase (MLCK)

–          Myotonic dystrophy kinase-related Cdc42-binding kinase (MRCK)

–          p21-activated kinase (PAK)

–          PKA

–          PKB

–          PKC

–          Rho kinase (ROK)

–          Polo-like kinase (Plks)

–          Ribosomal S6 kinase 1 (S6K1)

–          WNK protein kinase

Non-receptor protein tyrosine kinase

Có nhiều loại kinase thuộc nhóm này với nhiều chức năng thông tin quan trọng. Chúng có vùng tyrosine kinase, có chứa vùng tương tác protein nên có thể tương tác với cả các yếu tố tín hiệu thuận dòng hoặc nghịch dòng. Kinase Src có vai trò quan trọng nhất trong hình thức truyền tin này nên sẽ được trình bày tại đây.

Hình 40.2: Sự hoạt hóa Src. (1) Loại bỏ nhóm phosphate ở đầu C để hoạt hóa phân tử. (2) Tyrosine kinase phosphoryl hóa vùng kinase để tăng hoạt tính enzyme. (3) vùng kinase hoạt hóa có thể phosphoryl hóa nhiều protein đích như Abl chẳng hạn. (4) Vùng SH2 và SH3 có thể gắn vào nhiều protein đích khác nhau. (5) CSK phosphoryl hóa trở lại tyrosine ở đầu C để bất hoạt phân tử.

Src

Src là một nguyên mẫu của họ Src protein tyrosine kinase (Src, Blk, Fyn, Fgn, Hck, Lck, Lyn, Yes). Những tyrosine kinase này vừa là một chất đáp ứng vừa là một phân tử thực hiện chức năng phosphoryl hóa các phức hợp tín hiệu. Cấu trúc này có những vùng vai trò là chất đáp ứng đối ngẫu (dual adaptor) và enzyme.Lưu ý, các kinase này gắn vào màng tế bào ở đầu tận N, liên tục với vùng Src homology 3 (SH3) và vùng SH2. Vùng kinase ở đầu tận C có hai amino acid tyrosine (Tyr-416 và Tyr-527) có chức năng điều hòa hoạt động của Src. Vùng SH2 không chỉ giúp cho Src tương tác với những phân tử tín hiệu khác mà còn tham gia vào các tương tác nội phân tử để điều hòa hoạt tính của Src. Các quá trình điều hòa của Src xảy ra như sau:

–          Ở trạng thái bất hoạt, Tyr-527 được phosphoryl hóa nằm ở đầu C tạo thành mối tương tác nội phân tử với vùng SH2. Trong suốt quá trình hoạt hóa, tyrosine phosphatase loại bỏ nhóm phosphate ức chế này và phân tử được hoạt hóa.

–          Nhiều loại tyrosine kinase sẽ phosphoryl hóa Tyr-416 ở vùng kinase dẫn đến tăng hoạt tính của enzyme.

–          Vùng tyrosine kinase đã hoạt hóa có khả năng hoạt hóa nhiều cơ chất khác nhau như Abl chẳng hạn.

–          Khi ở trạng thái hoạt hóa, vùng SH2 và SH3 có thể tương tác với nhiều protein đích để thu thập các phức hợp thông tin.

–          Src bị bất hoạt bởi C-terminal Src kinase (CSK) do enzyme này phosphoryl hóa Tyr-527 để đưa phân tử này trở về trạng thái bất hoạt.

Chức năng của Src:

–          Hoạt hóa non-receptor protein tyrosine kinase Abl.

–          Cùng hoạt động với proline-rich tyrosine kinase 2 (Pyk2) để đẩy mạnh hình thành của podosome hủy cốt bào.

–          Đóng vai trò chuyển tiếp thông tin từ thụ thể integrin đến PtdIns 3-kinase tại phức hợp focal adhesion.

–          Trong quá trình tạo hủy cốt bào, colony-stimulating factor-1 (CSF-1) hoạt động trên thụ thể CSF-1R và bổ sung Src để hình thành phức hợp với c-Cbl và PtdIns 3-kinase. Src cũng phosphoryl hóa các motif hoạt hóa thụ thể miễn dịch theo cơ chế tyrosine (ITAMs) điển hình trên thụ thể FcRγ và chất đáp ứng DNAx-activating protein 12 (DAP12) để đồng hoạt lộ trình tín hiệu Ca2+ trong sự phát triển của hủy cốt bào.

–          Nó phosphoryl hóa và hoạt hóa họ Tec tyrosine kinase.

Chức năng của Abl (Abelson tyrosine kinase):

–          Abl trong bào tương được hoạt hóa bởi Src liên kết với một thụ tyrosine kinase-linked receptor như PDGFR chẳng hạn. Src phosphoryl hóa Abl và giúp phân tử này thực hiện chức năng tái cấu trúc sợi actin. Abl có thể gắn vào actin G- và F- nhưng cơ chế đến nay vẫn chưa rõ.

–          Abl cũng có thể bị hoạt hóa bởi thụ thể integrin và tại đây nó có thể tập hợp actin bằng cách hình thành phức hợp với Abelson-interactor (Abi), Wiskott-Aldrich syndrome protein (WASP) verprolin homologous (WAVE) và phức hợp actin-related protein 2/3 (Arp2/3 complex). Sự hình thành phức hợp này được thấy trong phức hợp focal adhesion.

Hình 40.3: Chức năng của Abl ở tế bào chất và trong nhân.

–          Ngoài ra, Abl cũng có thể hoạt động trong nhân. Tại đây, chức năng của nó được cho là phụ thuộc vào khả năng tương tác của nó với pocket protein retinoblastoma susceptibility gene Rb.

–          Tác dụng ức chế của Rb sẽ mất đi khi nó được phosphoryl hóa bởi phức hợp cyclin D/cyclin dependent kinase 4 (CDK4) – đây một thành phần của lộ trình tín hiệu chu kì tế bào.

–          Abl trong nhân cũng có thể được hoạt hóa bởi nhiều tác nhân kích thích stress như là hoạt động bức xạ ion hóa của ATM (ataxia telangiectasia mutated) hay sự thương tổn của DNA qua DNA-dependent protein kinase (DNAPK).

–          Abl inhibition of mouse double minute-2 (MDM2) ngăn cản sự thoái giáng của p53 do ubiquitin ligase mouse double minute-2 (MDM2) và quá trình này giúp tăng cường sự phiên mã của gene gây apoptosis.

–          Abl có thể phosphoryl hóa và hoạt hóa RNA polymera II góp phần vào quá trình biểu hiện gene.

–          Abl có thể phosphoryl hóa và hoạt hóa Rad52 góp phần vào quá trình sữa chữa DNA.

Sự oxi hóa protein

Lộ trình tín hiệu redox sinh ra các góc oxy hoạt động như superoxide và hydrogen peroxide để tạo ra các phân tử truyền tin thứ hai của nó hoạt động bằng cách oxi hóa nhóm thiol đặc hiệu trên amino acid cysteine ở protein đích.

Sự acetyl hóa protein

Quá trình này đóng một vai trò quan trọng trong hiện tượng tái cấu trúc chromatin và liên quan đến sự hoạt hóa quá trình phiên mã. Histone acetyltransferase (HATs) có chức năng acetyl hóa histone để tháo xoắn chromatin, làm cho nó dễ dàng tiếp cận với nhiều yếu tố phiên mã và do vậy hoạt hóa quá trình này. Hoạt động của myocyte enhancer factor-2 (MEF2) là một ví dụ điển hình cho quá trình acetyl hóa và phản ứng khử acetyl hóa được thực hiện bởi histone deacetylase (HDACs) và sirtuins.

Sự methyl hóa protein

Chức năng của protein có thể thay đổi bởi sự methyl hóa arginine hay lysine bởi enzyme protein arginine methyltransferase (PRMTs) và Smyd-2. Các phản ứng methyl hóa này sẽ bị đảo ngược bởi các enzyme demethylase như histone lysine-specific demethylase (LSD1) có chức năng loại nhóm methyl khỏi p53.

Quá trình này điều hòa nhiều protein và các quá trình của tế bào, cụ thể như:

–          Thay đổi hoạt tính của transcriptional regulator peroxisome-proliferator-activated receptor γ (PPARγ) coactivator-1α (PGC-1α) trong quá trình kiểm soát sự biệt hóa của tế bào mỡ nâu.

–          Sự methyl hóa protein p53 là một quá trình điều hòa sự phiên mã gene.

–          Sự methyl hóa histone tại vị trí lysine và arginine tại đầu N của Histone H3 có thể có tác dụng rõ rệt đến cấu trúc của chromatin.

–          Chất đồng kiềm hãm switch independent (SIN3) có chức năng tái cấu trúc chromatin chứa một lượng lớn các phức hợp nhân (core complex) chứa nhiều methyl transferase như enzyme đặc hiệu cho histone H3 chẳng hạn.

Sự sumoyl hóa

Hiện tượng này là một ví dụ của cơ chế post-translation modification mà nhờ đó chức năng của protein được sửa đổi bởi các liên kết cộng hóa trị với “small ubiquitin related modifier” (SUMO). Sự gắn SUMO tạo ra một sự biến đổi trên hoạt tính, độ ổn định và vị trí của protein đích. Có 4 protein SUMO hiện diện ở người, 3 SUMO đầu hiện diện rộng khắp trong khi SUMO-4 giới hạn trong một số loại tế bào (thận, lách và hạch lympho). Trong hầu hết các trường hợp, 1 phân tử SUMO được gắn vào protein, nhưng cả hai phân tử SUMO-3 và SUMO-4 có thể tạo thành chuỗi SUMO nhờ khả năng tạo thành liên kết isopeptide giữa hai phân tử SUMO với nhau.

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.

Khái luận về Genetics

KHÁI LUẬN VỀ GENETICS

Phùng Trung Hùng – Lê Minh Châu – Nguyễn Phước Long

Y học đang dần phát triển từ một nghệ thuật chữa bệnh trong đó các tiêu chuẩn thực hành được thành lập trên cơ sở kinh nghiệm cá nhân sang phương pháp khoa học được kiểm chứng nghiêm ngặt.Việc áp dụng các phương pháp khoa học tạo nên những tiến bộ lớn trongcác lĩnh vực sinh lý học, vi sinh, hóa sinh và dược học. Những tiến bộ này có vai trò như làcơ sở cho các phương pháp tiếp cận chẩn đoán và điều trị những bệnh tật thông thường của các bác sĩ trong thế kỉ 20.

Bắt đầu từ những năm 1980, người ta ngày càng hiểu biết thêm về cơ sở phân tử của di truyền học và những tiến bộ trong lĩnh vực này đã giúp tìm ra một chân trời mới trong xác địnhcơ sở “thông thường” bệnh gene di truyền (ví dụ: bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm) cũng như cơ sở những đặc điểm di truyền phức tạp (ví dụ, tăng huyết áp). Các cơ sở phân tửtrong sự tương tác giữa gene và môi trường cũng đã bắt đầu được xác định. Ngày nay, nhờ vào sự hỗ trợ của các kĩ thuật nhạy và chuyên biệt, các bác sĩ đã hiểu được cơ sở phân tửcủa các quá trình bệnh sinh phức tạp và xác định nguy cơ các bệnh thông thường ở từng cá nhân. Muốn hiểu biết về y học hiện đại cần phải hiểu biết về di truyền học phân tử và cơ sởphân tử của bệnh.

Chương này cung cấp một cái nhìn tổng quan về di truyền học, trong đó PCR chỉ là một phương pháp ứng dụng các thành tựu khoa học để nhân bản các đoạn DNA (có thể là gene hoặc không) mà thôi, không phải là tất cả như một số người vẫn quan niệm. Nội dung về các nguyên tắc của y học phân tử đã và sẽ được nhấn mạnh ở từng phần cụ thể trong sách, không chỉ về genetics mà còn về epigenetics, proteomics, lipidomics,…

Acid deoxyribonucleic và mã di truyền

Tất cả các thông tin cần thiết để tạo thành một sinh vật đều được mã hoá từ deoxyribonucleic acid (DNA)  chứa trong hạt nhân của mỗi tế bào sinh vật. Các DNA này tạo nên bộ gene của sinh vật. Khung đường deoxyribose của DNA được tạo thành từ liên kết phosphodiester (5′-3′) giữa cacbon thứ năm của vòng pentose này và carbon thứ ba của vòng pentose kế tiếp. Mỗi monomer deoxyribose phosphate liên kết cộng hóa trị với một trong bốn nucleic acid base: adenine purin (A), guanine (G), cytosine pyrimidines (C) và thymine (T). Và các nucleic acid base của 2 chuỗi này nối với nhau bằng các liên kết hydro theo nguyên tắc bổ sung.

Theo nguyên lí nhiệt động lực học thì adenine liên kết với thymidine và cytosine liên kết với guanine.

Trong bộ gene của con người, có khoảng 6 ×109 nucleotide hay 3 ×109cặp nucleotide, liên kết với nhau trong một chuỗi xoắn kép. Tính đặc trưng của DNA được qui định bởi trình tựcác nucleotide, và trình tự này được lưu trữ trong cấu trúc xoắn kép, tạo điều kiện sửa chữa lỗi và cung cấp một cơ chế để nhân rộng các thông tin trong quá trình phân chia tế bào.Trình tự các nucleotide của một mạch đơn trong DNA đóng vai trò như một khuôn mẫu để cho quá trình nhân đôi (quá trình có DNA polymerases tham gia tháo xoắn chuỗi DNA để tạo nên những DNA con giống hệt DNA mẹ).

DNA được nén chặt và liên kết với chromatin protein để tạo thành nhiễm sắc thể trong nhân. Tế bào con người có 23 cặp nhiễm sắc thể, mỗi cặp đều chứa những trình tự nucleotide hay thông tin di truyền riêng biệt.Hầu hết các loại tế bào đều chứa nhiễm sắc thểở trạng thái lưỡng bội, dạng đơn bội chỉ gặp ở những tế bào giao tử. Thông tin di truyền của nhiễm sắc thểđược chứa trong gene. Gene được định nghĩa là một đơn vị trình tự nucleotide, có vai trò mã hóa những chuỗi polypeptide chuyên biệt trong bộ gene lưỡng bội của con người. Có gần 30000 đến 40000 gene không có chức năng mã hóa protein và chức năng của chúng cũng chưa được biết rõ. Trung bình mỗi nhiễm sắc thể có từ 3000 đến 5000, có kích thước từ 1kilobase(kb) đến 2 megabase (Mb).

Hình 47.1: Cấu trúc DNA. Ở bên trái hình là cấu trúc của từng nucleotide với 4 loạinucleic acid base. Ở bên phải hình là cấu trúc xoắn kép của DNA được tạo nên bởi những liên kết hydro, guanine (G) nối với cytosin (C) bằng 3 liên kết hydro còn adenine (A) nối với thymine (T) bằng 2 liên kết hydro.

Vị trí của cácgene trên nhiễm sắc thể rất quan trọng đối với quá trình tiếp hợp và trao đổi đoạn trong giảm phân. Trong quá trình tái tổ hợp thông tin di truyền, các nhiễm sắc thể trong cặp tương đồng (1 có nguồn gốc từ bố và 1 có nguồn gốc từ mẹ) sẽ tiếp hợp và trao đổi đoạnđể tạo nên 1 tổ hợp mới. Khả năng tái tổ hợp thường phụ thuộc vào khoảng cách giữa 2 allele và khoảng cách này được tính bằng centimorgan: 1 centimorgan được qui định là khoảng cách giữa 2 allele mà ở khoảng cách này 2 allele có 1% cơ hội xảy ra hoán vị (hay bắt chéo trao đổi đoạn). Hiện tượng trao đổi đoạn này giúp tạo nên nhiều tổ hợp mới ở các thế hệ sau và qua đó giúp tạo nên sựđa dạng cho bộ gene của loài. Thông qua phân tích xu hướng di truyền cùng nhau của các cặp allele chuyên biệt ta biết được rằng khoảng cách tái tổ hợp trong bộ gene con người xấp xỉ khoảng 3000 centimorgan.

Quá trình tổng hợp protein diễn ra trong bào tương, quá trình này giúp chuyển thông tin di truyền từ DNA trong nhân thông qua mRNA ra bên ngoài bào tương. RNA khác DNA ở 2 điểm trong cấu trúc: (1) khung polymer của RNA được tạo bởi các phân tử đường ribose liên kết với nhau bởi liên kết phosphodieste, (2) RNA cónucleic acid base là U(uracil) thay cho T(thymine) trong DNA. mRNA được tạo ra thông qua hoạt động của enzyme DNA-dependent RNA polymerase trong quá trình phiên mã, men này sao chép chuỗi”antisense” của chuỗi xoắn kép DNA để tạo nên mRNA mạch đơn, mRNA này giống với chuỗi “antisense”của chuỗi xoắn kép DNA. mRNA mới tạo thành bao gồm những đoạn exon (có khả năng mã hóa) nằm xen kẽ với các đoạn intron (không có khả năng mã hóa) nên chúng còn trải qua quá trình cắt để tạo nên mRNA trưởng thành chỉ bao gồm các exon. Những mRNA trưởng thành này sẽ ra khỏi nhân đi vào bào tương và bắt đầu quá trình dịch mãđể tạo thành các chuỗi polypeptide.

Hình 47.2: Bắt chéo và tái tổ hợp. A, 2 nhiễm sắc thể lưỡng bội 1 cặp từ bố và 1 cặp từ mẹ (đỏ và xanh), 2 locus gene được đánh dấu bằng hình tròn và hình vuông. B, bắt chéo của một nhiễm sắc thể lưỡng bội từ một từ bố và một từ mẹ. C, Kết quả của quá trình bắt chéo và trao đổi đoạn.

Tổng hợp protein (dịch mã) xảy ra tại ribosome (phức hợp có phân tử lượng lớn của protein và rRNA ở trong bào tương). Dịch mã là sự chuyển các mã bộ ba di truyền kế tiếp nhau thành các amino acid. Có 64 bộ ba mã hóa được tạo bởi 4 loại nucleotide nhưng chỉ có 20 amino acid khác nhau như vậy một amino acid có thể được mã hóa từ nhiều bộ ba mã hóa. Bắt đầu quá trình dịch mã, tRNA mang amino acid thích hợp sẽ nhận diện và liên kết với bộ ba mã hóa trên mRNA bằng bộ ba đối mã trên nó. Lưu ý: MộttRNA chỉ liên kết được với một amino acid. Tiếp theo các enzym trên ribosome tạo liên kết peptid để nối các amino acid lại với nhau, sau đó tRNA sẽ tách khỏi mRNA. Các amino acid được tiếp tục thêm vào cho đến khi gặp bộ ba kết thúc và kết thúc quá trình dịch mã tại đây. Đây cũng là sự kiện cuối cùng trong quá trình chuyển thông tin từ chuỗi DNA trong nhân sang protein trưởng thành (DNA → RNA → protein). Các protein này ảnh hưởng trực tiếp đến hình dạng và chức năng của sinh vật. Nói cách khác, biểu hiện proteomics quyết định tính trạng chứ không phải khung nền DNA. Vì vậy sự bất thường trong cấu trúc hay chức năng của protein do sự thay đổi của chuỗi amino acid có thể gây nên sự biến đổi ở kiểu hình, thậm chí có thể gây bệnh.

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.

Enzymes allow DNA to swap information with exotic molecules

Enzymes allow DNA to swap information with exotic molecules

The discovery of the Rosetta Stone resolved a longstanding puzzle, permitting the translation of Egyptian hieroglyphs into Ancient Greek. John Chaput, a researcher at Arizona State University’s Biodesign Institute has been hunting for a biological Rosetta Stone—an enzyme allowing DNA’s 4-letter language to be written into a simpler (and potentially more ancient) molecule that may have existed as a genetic pathway to DNA and RNA in the prebiotic world.

Research results, which recently appeared in the Journal of the American Chemical Society, demonstrate that DNA sequences can be transcribed into a molecule known as TNA and reverse transcribed back into DNA, with the aid of commercially available enzymes. The significance of the research is three-fold: It offers tantalizing clues about how DNA and RNA—which encode the building plans for all earthly life—may have arisen from more primitive information-carrying molecules Contributes to the field of exobiology—the search for alternative life forms elsewhere in the universe Points to possible applications for TNA and other unusual nucleic acid molecules (known as xenonucleic acids or XNAs) in molecular medicine.

In the case of biomedical applications, XNAs may be developed into aptamers—molecular structures that can mimic the properties of naturally occurring polymers, folding into a variety of 3-dimensional forms and binding with selected targets. Aptamers are useful for a range of clinical applications including the development of macromolecular drugs. “TNA is resistant to nuclease degradation, making it an ideal molecule for many therapeutic and diagnostic applications,” Chaput says. The structural plans for organisms ranging from bacteria to primates (including humans) are encrypted in DNA using an alphabetic code consisting of just A, C, T & G, which represent the 4 nucleic acids. In addition to their information-carrying role, DNA and RNA possess two defining properties: heredity, (which allows them to propagate their genetic sequences to subsequent generations) and evolution, (which allows successive sequences to be modified over time and to respond to selective pressure). The chemical complexity of DNA has convinced most biologists that it almost certainly did not arise spontaneously from the prebiotic soup existing early in earth’s history. According to one hypothesis, the simpler RNA molecule may at one time have held dominion as the sole transmitter of the genetic code. RNA is also capable of acting as an enzyme and may have catalyzed important chemical reactions leading eventually to the first cellular life.

But RNA is still a complex molecule and the search for a simpler precursor that may have acted as a stepping-stone to the RNA, DNA and protein system that exists today has been intense. A variety of xenonucleic acids are being explored as candidates for the role of transitional molecule. In the current study, threose nucleic acid or TNA is investigated. Chaput says that establishing TNA as a progenitor of RNA would require demonstrating that TNA can perform functions that would help support a pre-RNA world. Of particular importance, would have been the ability replicate itself in the absence of protein enzymes. Like DNA, TNA can form double-helices—spiral staircase structures consisting of the 4 nucleotide bases, which make up the ladder-like rungs, and a sugar and phosphorus backbone, which forms the ladder’s railing. The sugar portion of this backbone is a defining component of the nucleic acid. DNA uses deoxyribose, RNA uses ribose and TNA uses threose.

Both DNA and RNA have sugars containing five carbon atoms, but TNA’s threose sugar contains only four. This enables TNA to assemble from just two identical carbon units, making it far easier to form under the non-biological conditions than RNA or DNA. Despite TNA’s chemical distinctiveness, it is similar enough to DNA and RNA to be able to interact with these familiar molecules and exchange information. In addition to forming helices, TNA segments can bind with complementary DNA and RNA strands through Watson-Crick base pairing, thus making TNA an alternate self-replicating entity. The study of TNA and other artificially-produced genetic polymers is part of a rapidly emerging discipline known as synthetic genetics. Powerful tools allow for high-throughput production of molecules with specified traits, built from xenonucleic acid molecules like TNA. In the current study, Chaput and his research team demonstrate that certain commercially available enzymes can facilitate the transcription of DNA sequences into TNA and back again into DNA and that the TNA sequences can be induced to evolve under the influence of environmental cues. The process is known as in vitro selection. To accomplish this, large pools of TNA molecules are produced from DNA templates and then exposed to a particular molecular target. The small fraction of the random-sequence TNA strands structurally capable of binding with the target are extracted and reverse-transcribed back into DNA, then amplified using polymerase chain reaction (PCR). The process can be repeated, allowing for significant enrichment of the desired aptamer.

Indeed, the authors note that a single round of selection in their experiment produced a 380-fold enrichment from an original library of 1014 DNA templates. The authors note that the method is therefore capable of pinpointing and enriching a particular aptamer of predefined function from a staggering 1015 non-functional sequences. (One potential benefit of constructing aptamers from TNA is improved stability—natural enzymes that rapidly break down DNA and RNA do not degrade them.) Prior to the current study, researchers had been frustrated that only severely abbreviated lengths of DNA could be faithfully transcribed into TNA. The limiting factor in the process was an effective enzyme to guide the accurate transcription of the DNA message. In the case of normal biological transcription, DNA is transcribed into RNA with the help of a specific enzyme known as DNA polymerase. Such naturally occurring polymerases, Chaput points out, are highly specific, and don’t work well for DNA to TNA transcription or reverse transcription. Recent advances in protein engineering however, have produced a new breed of synthetic polymerases. In the current study, one of these—known as Therminator DNA polymerase, faithfully transcribed a 70 nucleotide DNA sequence into TNA, while another, known as SuperScript II (SSII) performed reverse-transcription back into DNA with impressively high fidelity.

Sequences of both 3-letter and 4-letter DNA messages were transcribed and reverse transcribed, both with over 90 percent accuracy. The research paves the way for more sophisticated manipulation of TNA and other xenonucleic acids and may strengthen the case that TNA or a closely related molecule set the stage for the emergence of RNA and the first earthly life. Given the enormous potential for this research for the fields of synthetic biology, exobiology and medicine, it is likely that XNAs will be produced in greater abundance by large chemical laboratories. Currently, the synthesis and purification of nucleoside triphosphates needed to form XNA backbones remains a delicate and labor-intensive process.


Phyorg