ユトレヒト大学の研究者らが、生きている細胞内やさらには生体全体でDNA損傷と修復をリアルタイムで観察できる蛍光センサーを開発した。このツールは自然な細胞タンパク質の構成要素から構築されており、細胞自身の機構への干渉を最小限に抑えつつ、修復ダイナミクスの連続的な観察を可能にする。この研究はNature Communicationsに報告され、がん研究、薬剤試験、加齢研究に役立つ可能性がある。
細胞内のDNAは、太陽光、化学物質、放射線、正常な代謝活動などの要因によって絶えず損傷を受けている。こうした損傷のほとんどは迅速かつ効率的に修復されるが、修復が失敗すると生じるエラーががん、加齢、その他の疾患の原因となり得る、とユトレヒト大学の研究者らは述べている。
最近まで、科学者らは主に細胞を異なる時点で殺死・固定するスナップショット法を用いてこれらの修復イベントを研究していた。これらの手法は高度に動的なプロセスに関する孤立した視点しか提供せず、損傷の発生から解決までの経時的な追跡を難しくしていた。
この新しいセンサーは、生体システムにおけるDNA損傷のリアルタイムモニタリングを可能にすることで、これを一変させる。センサーは、細胞自身のタンパク質から派生した小さなドメインに蛍光タグを付加したもので、損傷したDNAに現れる特定のマーカーに一時的に結合する。この相互作用が穏やかで可逆的であるため、センサーは損傷部位を点灯させつつ、細胞の修復機構を大幅に乱すことなく、より現実的な応答像を提供する。
主任研究者のTuncay Baubec氏はユトレヒト大学が公開したインタビューで利点を説明した。「我々のセンサーは異なります。細胞がすでに使用している自然タンパク質から取った部品で作られています。損傷部位に自らオンオフします。だから見えるのは細胞の本物の挙動です。」
ツールの設計と試験を担当した生物学者Richard Cardoso da Silva氏は、プロジェクトの転機を振り返った。「いくつかの薬をテストしていて、市販の抗体と同じ場所でセンサーが光ったのです」と彼は語った。「その瞬間、『これはいける』と思いました。」
実験室実験では、チームは培養細胞で損傷シグナルが時間とともに現れ消える様子をセンサーで追跡し、複数の別個の実験ではなく単一の連続記録でDNA修復の全シーケンスを捉えた。研究者らは損傷の発生時期、修復タンパク質の現場蓄積速度、細胞が問題を解決してシグナルが消えるタイミングを観察できた。
センサーは生体全体でも優れた性能を示した。ユトレヒト大学の協力者らが生物学で広く用いられる線虫Caenorhabditis elegansでこのタンパク質ベースのプローブをテストし、発生中に形成されるプログラムされたDNA切断を検出した。Baubec氏はこれにより「このツールはラボの細胞のためだけではない。本物の生体でも使えることが示された」と述べた。
センサーがモジュール式であるため、科学者らは他の分子構成要素と連結可能だ。ユトレヒト大学の発表によると、この柔軟性により、ゲノム全体でのDNA損傷位置のマッピング、損傷部位に集まるタンパク質の解析、さらには核内の異なる位置へ損傷DNAを移動させて位置が修復に与える影響をテストできる。
センサーは治療法ではないが、チームはこれが医学・毒性学研究を支援すると期待する。多くの癌療法や実験化合物は腫瘍細胞のDNAを損傷させることで機能し、初期試験では薬が引き起こす損傷量を抗体で評価する。ユトレヒトグループによると、生細胞センサーはこうした評価をより安価・迅速・正確にし、自然加齢研究や放射線・他の変異原暴露のモニタリングにも役立つ可能性がある。
この研究はNature Communications誌に「Engineered chromatin readers track damaged chromatin dynamics in live cells and animals」（設計クロマチンリーダーが生細胞・動物の損傷クロマチンダイナミクスを追跡）と題し、第一著者Richard Cardoso da Silva氏と責任著者Tuncay Baubec氏が主導して掲載された。ユトレヒト大学によると、チームはツールを公開し、情報とコンストラクトをオンラインで共有、他のラボがDNA修復研究で使用を開始できるようにしている。
