Decennia-oud mysterie opgelost: Wetenschappers kraken de code van DNA-herstel

Onderzoekers van de Research Institutes van de UK's Medical Research Council hebben een langdurig mysterie rond DNA-herstelmechanismen ontrafeld, wat mogelijk kankerbehandelingen kan verbeteren. Hun onderzoek onthulde hoe het FANCD2-FANCI-eiwitcomplex DNA-kruisverbindingen detecteert en herstelt, waarbij geavanceerde beeldvormingstechnieken worden gebruikt om dit proces op moleculair niveau te visualiseren.

Onderzoekers van de LMS en LMB hebben ontdekt hoe het D2-I-eiwitcomplex DNA-schade identificeert en repareert, een doorbraak die belooft kankerbehandelingen te verbeteren door ons begrip van DNA-herstelpaden te vergroten. Deze samenwerking kan de weg vrijmaken voor effectievere therapieën door de mechanismen aan te pakken die kankercellen gebruiken om behandelingen te weerstaan.

Een samenwerking tussen onderzoekers van de twee kerngefinancierde Research Institutes van de Medical Research Council in het Verenigd Koninkrijk - het Laboratory of Medical Sciences (LMS) in Londen en het Laboratory of Molecular Biology (LMB) in Cambridge - heeft een decennia oud mysterie ontrafeld, wat mogelijk zal leiden tot verbeterde kankerbehandelingen in de toekomst.

Het werk, dat het basismechanisme heeft blootgelegd van hoe een van onze meest vitale DNA-herstelsystemen DNA-beschadigingen herkent en hun herstel in gang zet, heeft onderzoekers vele jaren lang ontglipt. Door geavanceerde beeldvormingstechnieken te gebruiken om te visualiseren hoe deze DNA-hersteleiwitten bewegen op een enkel DNA-molecuul, en elektronenmicroscopie om vast te leggen hoe ze "vergrendelen" op specifieke DNA-structuren, opent dit onderzoek de weg naar effectievere kankerbehandelingen.

De samenwerking tussen de laboratoria van professor David Rueda (LMS) en dr. Lori Passmore (LMB) is een briljant voorbeeld van hoe #teamscience vruchtbare resultaten kan opleveren en benadrukt het belang van deze twee instituten bij het voortstuwen van onderzoek dat de fundamentele mechanismen van biologie ontsluit die de toekomstige vertaling van dat werk naar verbeteringen in de menselijke gezondheid zal onderbouwen.

Een enkel DNA-molecuul (niet direct zichtbaar) wordt vastgelegd met behulp van microscopische kralen (de grote cirkels). Elk van de rode, groene of gele stippen die tussen de kralen bewegen, vertegenwoordigt een FANCD2I-FANCI-eiwitcomplex dat langs het DNA-molecuul glijdt, dat controleert op schade. Credit: MRC Laboratory of Medical Sciences

De onderzoekers werkten aan een DNA-herstelpad, bekend als het Fanconi Anemie [FA]-pad, dat meer dan twintig jaar geleden werd geïdentificeerd. DNA wordt voortdurend beschadigd gedurende ons hele leven door omgevingsfactoren zoals UV-licht van de zon, alcoholgebruik, roken, vervuiling en blootstelling aan chemicaliën. Een manier waarop DNA beschadigd raakt, is wanneer het "kruislings wordt verbonden", waardoor het niet normaal kan repliceren en genen kan tot expressie kan brengen. Om zichzelf te repliceren en om genen te lezen en tot expressie te brengen, moeten de twee strengen van de DNA-dubbele helix eerst worden losgeritst in enkele strengen. Wanneer DNA wordt gekruist, blijven de "nucleotiden" (de "treden" in de dubbele helix-ladder van DNA) van de twee strengen aan elkaar plakken, waardoor dit losmaken wordt voorkomen.

De ophoping van DNA-beschadigingen, waaronder kruisverbindingen, kan leiden tot kanker. Het FA-pad is actief gedurende ons hele leven en identificeert dergelijke beschadigingen en repareert ze op doorlopende basis. Individuen die mutaties hebben die dit pad minder effectief maken, zijn veel vatbaarder voor kankers. Hoewel de eiwitten die betrokken zijn bij het FA-pad enige tijd geleden werden ontdekt, bleef een mysterie bestaan over hoe ze het gekruiste DNA identificeerden en het proces van DNA-herstel startten.

Het team van de MRC-zusterinstelling van de LMS, de LMB in Cambridge, geleid door Lori Passmore, had eerder geïdentificeerd dat het FANCD2-FANCI (D2-I) eiwitcomplex, dat actief is in een van de eerste stappen van het FA-pad, zich vasthecht aan DNA, waardoor DNA-herstel bij kruisverbindingen wordt geïnitieerd. Er bleven echter belangrijke vragen over: hoe herkent D2-I gekruist DNA, en waarom wordt het D2-I-complex ook betrokken bij andere soorten DNA-schade?

Het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Nature, gebruikte een combinatie van geavanceerde wetenschappelijke technieken om aan te tonen dat het D2-I-complex langs het dubbelstrengig DNA glijdt, zijn integriteit bewaakt, en ook elegant heeft gevisualiseerd hoe het herkent waar te stoppen, zodat de eiwitten kunnen bewegen en op dat punt samen kunnen vergrendelen om DNA-herstel te initiëren.

Artur Kaczmarczyk en Korak Ray in de groep van David Rueda voor Single Molecule Imaging, werkend met Pablo Alcón in de groep van Lori Passmore, gebruikten een state-of-the-art microscopietechniek die bekend staat als "gecorreleerde optische pincetten en fluorescentiebeeldvorming" om te onderzoeken hoe het D2-I-complex langs een dubbelstrengige DNA-molecuul glijdt.

Met behulp van optische pincetten konden ze een enkel DNA-molecuul vangen tussen twee kralen, waardoor ze het DNA nauwkeurig konden manipuleren en het konden incuberen met gekozen eiwitten. Met behulp van fluorescent gelabelde D2-I en enkelmolecuul-imaging, observeerden ze hoe individuele D2-I-complexen binden aan en langs DNA glijden, waarbij ze de dubbele helix scannen. Ze ontdekten dat in plaats van direct de kruiskoppeling tussen de twee strengen DNA te herkennen, de FA-klem in plaats daarvan stopt met glijden wanneer hij een enkelstrengs DNA-gat bereikt, een regio waar een van de twee strengen DNA ontbreekt.