Årtionden gammalt mysterium löst: Forskare knäcker koden för DNA-reparation

Forskare från Storbritanniens Medical Research Council Research Institutes har avslöjat ett långvarigt mysterium i DNA-reparationsmekanismer, vilket potentiellt kan förbättra cancerbehandlingar. Deras studie avslöjade hur proteinkomplexet FANCD2-FANCI upptäcker och initierar reparation av DNA-tvärbindningar, med hjälp av avancerade avbildningstekniker för att visualisera denna process på molekylär nivå.

Forskare från LMS och LMB har upptäckt hur D2-I-proteinkomplexet identifierar och reparerar DNA-skador, ett genombrott som lovar att förbättra cancerbehandlingarna genom att förbättra vår förståelse av DNA-reparationsvägar. Detta samarbete kan bana väg för effektivare terapier genom att rikta in sig på de mekanismer som cancerceller använder för att motstå behandling.

Ett samarbete mellan forskare vid Storbritanniens två kärnfinansierade Medical Research Council Institutes – Laboratory of Medical Sciences (LMS) i London och Laboratory of Molecular Biology (LMB) i Cambridge – har avslöjat ett decennier gammalt mysterium, som potentiellt leder till förbättrad cancerbehandlingar i framtiden.

Arbetet, som avslöjade den grundläggande mekanismen för hur ett av våra mest vitala DNA-reparationssystem känner igen DNA-skador och initierar deras reparation, har gäckat forskare i många år. Genom att använda banbrytande avbildningstekniker för att visualisera hur dessa DNA-reparationsproteiner rör sig på en enda DNA-molekyl, och elektronmikroskopi för att fånga hur de "låser fast" till specifika DNA-strukturer, öppnar denna forskning vägen för effektivare cancerbehandlingar.

Samarbetet mellan laboratorierna för professor David Rueda (LMS) och Dr Lori Passmore (LMB) har varit ett lysande exempel på hur #teamscience kan ge fruktbara resultat och understryker vikten av dessa två institut för att driva framåt forskning som låser upp de grundläggande mekanismerna för biologi som kommer att underbygga den framtida översättningen av detta arbete till förbättringar av människors hälsa.

En enda DNA-molekyl (inte direkt synlig) fångas upp med hjälp av mikroskopiska pärlor (de stora cirklarna). Var och en av de röda, gröna eller gula prickarna som rör sig mellan pärlorna representerar ett FANCD2I-FANCI-proteinkomplex som glider längs DNA-molekylen och övervakar den för skada. Kredit: MRC Laboratory of Medical Sciences

Forskarna arbetade på en DNA-reparationsväg, känd som Fanconi Anemia [FA]-vägen, som identifierades för mer än tjugo år sedan. DNA skadas ständigt under hela våra liv av miljöfaktorer inklusive UV-ljus från solen, alkoholanvändning, rökning, föroreningar och exponering för kemikalier. Ett sätt på vilket DNA skadas är när det "tvärbinds", vilket hindrar det från att kunna replikera och uttrycka gener normalt. För att replikera sig själv och för att läsa och uttrycka gener måste de två strängarna i DNA-dubbelhelixen först packa upp i enkelsträngar. När DNA är tvärbundet fastnar de två strängarnas "nukleotider" ("stegen" i dubbelhelix-stegen av DNA) ihop, vilket förhindrar att denna öppnas upp.

Ansamlingen av DNA-skador inklusive tvärbindning kan leda till cancer. FA-vägen är aktiv under hela vårt liv och identifierar dessa skador och reparerar dem löpande. Individer som har mutationer som gör denna väg mindre effektiv är mycket mer mottagliga för cancer. Även om proteinerna som är involverade i FA-vägen upptäcktes för en tid sedan, återstod ett mysterium över hur de identifierade det tvärbundna DNA:t och startade processen för DNA-reparation.

Teamet från MRC LMS systerinstitution, LMB i Cambridge, ledd av Lori Passmore, hade tidigare identifierat att proteinkomplexet FANCD2-FANCI (D2-I), som verkar i ett av de första stegen av FA-vägen, klämmer fast på DNA, vilket initierar DNA-reparation vid tvärbindningar. Men nyckelfrågor kvarstod: hur känner D2-I igen tvärbundet DNA, och varför är D2-I-komplexet också inblandat i andra typer av DNA-skador?

Forskningen, publicerad i tidskriften Nature, använde en kombination av banbrytande vetenskapliga tekniker för att visa att D2-I-komplexet glider längs det dubbelsträngade DNA:t, övervakar dess integritet, och har också elegant visualiserat hur det känner igen var det ska stanna, tillåta proteinerna att röra sig och låsa ihop vid den punkten för att initiera DNA-reparation.

Artur Kaczmarczyk och Korak Ray i David Ruedas Single Molecule Imaging-grupp, som arbetade med Pablo Alcón i Lori Passmores grupp, använde en toppmodern mikroskopiteknik känd som "korrelerad optisk pincett och fluorescensavbildning" för att utforska hur D2-I komplex glider längs en dubbelsträngad DNA-molekyl.

Med hjälp av en optisk pincett kunde de fånga en enda DNA-molekyl mellan två pärlor, vilket gjorde det möjligt för dem att exakt manipulera DNA:t och inkubera det med utvalda proteiner. Med hjälp av fluorescensmärkt D2-I och enkelmolekylär avbildning, observerade de hur individuella D2-I-komplex binder till och glider längs DNA och skannade dubbelhelixen. De upptäckte att snarare än att känna igen tvärbindningen mellan de två DNA-strängarna direkt, FA-klämman istället