ДНК естественно сворачивается в крестовидные структуры, названные cruciforms, которые выдаются вдоль обширной длины его двойной спирали. cruciforms ДНК в изобилии; ученые оценивают, что целых 500 000 крестообразно формирующихся последовательностей могут существовать в среднем в нормальном геноме человека. Более чем 80 процентов cruciforms ДНК считают маленькими, т.е. под 100 парами оснований ДНК. Маленькие cruciforms позволяют повторение ДНК и экспрессию гена, важную для человеческой жизни. Но ученые также подозревали, что эти маленькие cruciforms – структура самой ДНК – связаны с мутациями, которые могут повысить риск рака.
cruciforms ДНК созданы короткими перевернутыми повторениями Гуанина Цитозина Тимина Аденина нуклеотидов, которые формируют основания структуры ДНК. Перевернутые повторения – последовательности нуклеотида ДНК, сопровождаемые их обратным комплиментом. Они похожи на палиндром, фраза слова, которая читает то же самое назад и вперед, такой как ‘Никогда нога слишком далеко, даже’.
Исследование UT Austin нашло, что маленькие cruciforms ДНК являются мутагенными, изменяя ДНК способом, которая может увеличить риск рака в дрожжах, обезьянах, и в людях. Вычисление высокой эффективности в Texas Advanced Computing Center (TACC) UT Austin с суперкомпьютерами Stampede и Lonestar помогло исследователям найти короткие перевернутые повторения 30 пар оснований и под в справочной базе данных мутаций при человеческом раке, которые являются телесными, означая не унаследованный.Нити ДНК обычно прерывают клетки человека. Белки ремонта плавят сломанный конец одной нити ДНК к сломанному концу другого.
Если сформировано определенными способами, эти ‘генные сплавы, или перемещения могут привести к развитию рака.’Мы нашли, что короткие перевернутые повторения действительно обогащены в контрольных точках перемещения в человеческих геномах рака’, ведут, автор Карен Васкес сказала.
Васкес – профессор Джеймса Т. Делусио Рехентса в Подразделении Фармакологии и Токсикологии в Техасском университете в Остине.’Во многих случаях перемещения – то, что превращает нормальную клетку в раковую клетку’, сказал соавтор Альбино Баколья. Баколья – научный сотрудник в Vasquez Lab. ‘Что мы нашли в нашем исследовании, был то, что места разрывов хромосомы не случайны вдоль ДНК двойная спираль; вместо этого, они происходят предпочтительно в определенных местоположениях’, сказал Бэколла. ‘Структуры Cruciforms в ДНК, построенной короткими перевернутыми повторениями, отмечают пятна для разрывов хромосомы, мутаций, и потенциально начинают развитие рака’.Васкес сказал, ‘Мы также изучили потенциальные механизмы, которые вовлечены во взаимодействия среди альтернативных структур ДНК и развитие рака.
Наша команда обнаружила по крайней мере два различных механистических пути: одно повторение ДНК вовлечения, где эти необычные структуры вызывают контрольно-пропускной пункт к повторению ДНК; другой путь независим от этого, где белки ремонта ДНК, мы думаем, признают эти альтернативные структуры ДНК повреждением, даже при том, что нет никакого повреждения по сути. Клетки пытаются обработать структуры как повреждение, но они действительно обрабатывают естественные необычные пласты ДНК и не реальный убыток.
Неудавшийся подверженный ошибкам процесс ремонта может тогда вызвать разрывы двойного берега ДНК и привести к серьезным проблемам включая неопластическое преобразование’.Разрывы двойного берега ДНК могут увеличить риск рака, потому что они могут привести к перемещениям, удалениям и другим мутагенным событиям, которые разрушают кодирующие свойства генов. ‘Эти модификации ДНК могут привести к раку’, сказал Васкес. По словам Пола Окано, директора программы в Подразделении Биологии Рака Национального Онкологического института, ‘Центром доктора Васкеса’ исследование в области механизмов дополнительной ДНК вызванные структурой мутации, разрывы ДНК и перемещения хромосомы является новый и значительный аспект поддержанных исследований гранта NCI механизмов геномной нестабильности.
Доктор Васкес’ исследования роли non-B последовательностей ДНК в этих механизмах может способствовать нашему знанию этиологии человеческого рака.’Несколько исследований вошли в отчет Васкес и ее лаборатория, в электронном виде изданная перед печатью в марте 2015 в журнале Cell Reports. Одно исследование использовало испытание репортерного гена, чтобы подтвердить, что короткие перевернутые повторные последовательности от клеток COS-7, полученных из ткани почки обезьяны, были мутагенными. ‘Мы хотели подтвердить, что это было биологически соответствующим открытием’, сказал Васкес. ‘Именно тогда мы должны были сделать некоторые вычислительные исследования и поиск insilico. Мы использовали суперкомпьютеры TACC для того аспекта работы’.
‘Мы использовали и Паническое бегство и группы Linux Lonestar. Мы обычно поддерживаем наши данные по Загону’, сказал Бэколла.Проблема и потребность в использовании HPC, сказал Бэколла, то, что время, необходимое, чтобы найти все комбинации перевернутых повторений, учитывая последовательность ДНК, огромно.
Команда Васкеса проектировала их алгоритм, чтобы взять ряд писем, соответствующих ДНК, основывает T C G и проверку, если соседние ряды писем соответствуют обратному комплименту первой последовательности. Они тогда изменили длину последовательности и расстояние между последовательностями.’Для каждого положения вдоль ДНК программа должна выполнить несколько сотен повторений. Тогда количество этих повторений должно быть умножено на длину ДНК, затем количеством перемещений в наших больных раком’, сказал Бэколла. ‘Мы разработали главным образом наши собственные сценарии, которые мы написали в Дубе в раковине’, сказал Бэколла.
Он использовал сценарии, чтобы произвести приблизительно 20 000 случайных хромосомных разрывов. ‘Мы должны были сравнить частоты перевернутых повторений, найденных в КОСМИЧЕСКОМ наборе данных с теми, которых мы найдем в контроле, случайно’. КОСМИЧЕСКИЙ база данных, сохраняемая Институтом Sanger в Великобритании мутаций, найденных при человеческом телесном, или ненаследственном раке.’У нас было 20 000 перемещений от человеческих раковых образований от базы данных COSMIC; 200 оснований ДНК для каждого перемещения; и приблизительно 200-400 повторений в каждом положении’, сказал Бэколла.
Количество повторений составило приблизительно два миллиарда.’Это просто занимает много времени, чтобы выступить. Мы, конечно, не можем сделать этого вида работы над нашим ноутбуком или чем-либо как нормальная система в наших лабораториях; нам нужна очень сильная вычислительная система, чтобы достигнуть наших поисков последовательности генов’.Сразу же Bacolla нашел, что сценарии, которые он написал, остановятся, когда он пытался расшириться к 100 или больше последовательностям на одном процессоре.
‘Чтобы решить это, мы должны были войти в контакт с техническим персоналом TACC’, сказал Бэколла. ‘Они проверили наш сценарий и проанализировали журнал ошибок, который мы получили. Наконец, мы закончили с решением, дав каждому процессору меньше последовательностей’.
Это позволило Бэколле увеличивать свой кодекс и использовать более чем 1 000 процессоров сразу.’Не было бы возможно сделать эту работу без ресурсов TACC’, сказал Бэколла. ‘Центр – невероятный ресурс с точки зрения своей способности и поддержки.
Мы использовали ресурсы и поддержку штата в течение некоторого времени теперь. Это – замечательная возможность для исследователей в UT Austin’.’С поддержкой TACC мы смогли видеть, что это – по крайней мере одно вероятное объяснение в человеческой этиологии рака, потому что эти последовательности обогащены в контрольных точках перемещения’, сказал Васкес. ‘Это дает нам надежду, вдохновение и энтузиазм продвинуться’.Васкес видит, что следующий шаг для ее лаборатории должен применить эти результаты, чтобы улучшить здоровье человека. ‘Наш всеобъемлющий интерес состоит в том, чтобы понять, как структура ДНК может влиять на развитие рака.
С доступом к TACC мы более уверены, что последовательности ДНК, способные к формированию конкретных необычных структур, представляют вероятное объяснение того, как разрывы ДНК могут привести к перемещениям при раке’, сказал Васкес.’Наши следующие шаги должны продвинуться с моделью мыши, которая может обнаружить мутации и перемещения в геноме мыши, используя человеческие последовательности от этих контрольных точек рака’, сказал Васкес.
Это действительно происходит теперь в контексте хромосом в живых организмах? Это – конкретная ткань?
Старение имеет значение? Это типы вопросов, которые зададут исследователи.
‘Долгосрочная цель по этим исследованиям состоит в том, чтобы развивать лучшее предотвращение или стратегии лечения для больных раком’, сказал Васкес.Важно понять, подчеркнул Васкес, что короткие перевернутые повторения и крестообразные структуры, которые они создают также, приносят пользу телу. Они облегчают увольнение происхождения повторения, начиная повторение ДНК человека. ‘У них есть и положительные и отрицательные функции, я спорил бы’, сказал Васкес. ‘это не действительно что-то обязательно, что мы хотим попытаться изменить, удалить эти последовательности из нашей ДНК, но лучше понять то, что они делают для жизненных процессов и уменьшать любые отрицательные события, которые могли бы произойти из-за присутствия их ‘ubiquitou”Если мы можем помочь клиническим ученым применить механистическую информацию, такую как, мы надеемся, будет получен от нашего исследования до лучшего лечения рака и профилактики рака стратегии, мы приносим пользу всем нам’.Васкес видит блестящее будущее в переплетении вычисления и наук о жизни. ‘Я думаю, что потенциал вычислительного анализа сногсшибателен.
Биоинформатика и вычислительные центры как TACC очень важны для следующих шагов в науке. Это – захватывающее время’, сказала она.