Учёные исследовали процессы репарации ДНК с помощью технологии оптического пинцета
11 марта 2023Команда Питтсбургского и Кентского университетов (University of Pittsburgh, University of Kent) с помощью инновационной системы смогла детально изучить клеточные механизмы идентификации и репарации повреждений ДНК, в дальнейшем это позволит разработать эффективные стратегии терапии рака. Чтобы понять, как различные белки идентифицируют повреждения ДНК и связываются с ними, исследователи использовали систему C-trap. Результаты работы опубликованы в журнале Nucleic Acids Research.
«Мы рассматривали повреждения ДНК как бреши. В процессе восстановления ДНК задействовано около 30 белков, каждый из которых выполняет свою функцию – от обнаружения бреши до установки ‟заплатки”. Пока нет возможности отследить взаимодействия всех белков одновременно, зато мы можем наблюдать их парные связи», – пишет Бен Ван Хаутен (Ben Van Houten), PhD, профессор кафедры фармакологии и биохимии Питтсбургского университета (Pitt’s department of pharmacology & chemical biology).
Сотрудники лаборатории Ван Хаутена (Van Houten’s lab) детально изучили белки, которые восстанавливают повреждения ДНК, вызванные факторами окружающей среды, такими как ультрафиолетовое излучение и неблагоприятные экологические условия. Учёные использовали систему C-trap, которая основана на технологии оптического пинцета – это мощный световой луч, который способен захватывать, перемещать и прикреплять к молекулам микроскопические структуры (эта разработка была удостоена Нобелевской премии).
«Мы приближали друг к другу белки и наблюдали, как два конца ДНК соединялись, словно они на липучках. При отдалении белков можно было оценить силу ДНК – она стремилась в исходное положение, как растянутая пружина», – говорит ведущий автор исследования Мэтью Шайх (Matthew Schaich), PhD, научный сотрудник лаборатории Ван Хаутена.
В сотрудничестве с коллегами из Кентского университета команде Ван Хаутена удалось разработать новый метод одномолекулярного анализа ДНК-связывающих ядерных белков – SMADNE (Single Molecule Analysis of DNA-binding proteins from Nuclear Extracts).
С помощью SMADNE исследователи выделили репаративные белки из клеточного ядра, затем они применили C-trap и проанализировали, в какой момент и каким образом белки связываются с различными типами повреждений ДНК.
«Мы хотели понять, как клетка идентифицирует и исправляет повреждения ДНК, а также выяснить с чего начинается репарация. Нас интересовало, остаётся ли белок, который первым прибывает к месту поломки, в этой же позиции на протяжении дальнейшего ‟ремонта”, а также как передаются сигналы каждому последующему звену этой цепи реакций. С помощью C-trap мы проследили, как белки сменяют друг друга в процессе репарации, и многое узнали о порядке сборки и разборки ДНК», – говорит Шайх.
Ван Хаутен описал белки репарации ДНК как посетителей бара: «Двое заходят в бар: кто-то открывает дверь первым, какое-то время они общаются, а потом один из них уходит. Репаративные белки, как и люди, взаимодействуют динамично».
Исследователи обнаружили, что белки DDB1 и DDB2 работают совместно: они одновременно прибывают в место повреждения ДНК и так же отсоединяются от него. При этом удалось описать 11 различных паттернов, в которых белки прибывали вместе, но отсоединялись от места повреждения в разное время.
С помощью C-trap и SMADNE была оценена активность белков при различных механизмах репарации ДНК. Полученные результаты объясняют, как нарушения этих механизмов могут повлиять на развитие рака. В будущем данная информация позволит разработать новые методы терапии.
«Восстановление ДНК – неоднозначный механизм. С одной стороны, если репарация осуществляется плохо, любые стрессовые факторы наносят ущерб, вследствие которого может развиться рак. С другой стороны, многие методы лечения онкологических заболеваний направлены на снижение репаративной активности клеток», – говорит Ван Хаутен.
Ван Хаутен и его команда продолжают анализировать пути восстановления ДНК после ультрафиолетовых повреждений, также они подали заявку на патент системы SMADNE.
«Сочетание C-trap и SMADNE открыло бесконечные возможности для изучения процессов репарации ДНК, ведь на некоторые вопросы ответы пока так и не найдены» – говорит Ван Хаутен.
