Forskare vid Utrecht universitet har konstruerat en fluorescerande sensor som låter vetenskapsmän observera DNA-skador och reparation i realtid inne i levande celler och till och med i hela organismer. Byggd från komponenter i ett naturligt cellprotein ger verktyget kontinuerliga vyer av reparationsdynamik samtidigt som den minimerar störningar i cellens egna maskineri. Arbetet, rapporterat i Nature Communications, kan stödja cancerforskning, läkemedelstestning och åldrande-studier.
DNA inuti celler skadas ständigt av källor som solljus, kemikalier, strålning och normal metabolisk aktivitet. De flesta av dessa skador repareras snabbt och effektivt, men när reparationen misslyckas kan de resulterande felen bidra till cancer, åldrande och andra sjukdomar, enligt forskare vid Utrecht universitet.
Fram till nyligen studerade forskare främst dessa reparationshändelser med snapshot-metoder som krävde att celler dödades och fixeras vid olika tidpunkter. Dessa tillvägagångssätt erbjöd endast isolerade vyer av en mycket dynamisk process och gjorde det svårt att följa hur skador uppstår och löses över tid.
Den nya sensorn förändrar det genom att möjliggöra realtidsövervakning av DNA-skador i levande system. Den använder en fluorescerande etikett fäst vid en liten domän härledd från en av cellens egna proteiner, som kortvarigt binder till en specifik markör som dyker upp på skadat DNA. Eftersom denna interaktion är mild och reversibel kan sensorn lysa upp skadeplatser utan att väsentligt störa cellens reparationsmekanismer, och ger en mer realistisk bild av svaret.
Huvudforskaren Tuncay Baubec beskrev fördelen i en intervju släppt av Utrecht universitet: «Vår sensor är annorlunda. Den är byggd av delar tagna från ett naturligt protein som cellen redan använder. Den tänds och släcks på skadeplatsen själv, så det vi ser är cellens genuina beteende.»
Biologen Richard Cardoso da Silva, som konstruerade och testade verktyget, mindes ett nyckelmoment i projektet. «Jag testade några läkemedel och såg sensorn lysa upp exakt där kommersiella antikroppar gjorde», sa han. «Det var ögonblicket jag tänkte: det här kommer att fungera.»
I laboratorieförsök använde teamet sensorn för att följa hur skadesignaler uppstår och bleknar över tid i odlade celler, och fångade hela sekvensen av DNA-reparation i en enda kontinuerlig inspelning istället för i flera separata experiment. Forskare kunde se när skadan uppstod, hur snabbt reparationsproteiner ackumulerades på platsen och när signalen försvann när cellen löste problemet.
Sensorn presterade också bra i en hel organism. Medsamarbetare vid Utrecht universitet testade den proteinbaserade proben i rundmasken Caenorhabditis elegans, en mycket använd modell i biologi. Där detekterade den programmerade DNA-brytningar som bildas under utveckling. Baubec sa att detta visade att «verktyget inte bara är för celler i labbet. Det kan också användas i verkliga levande organismer.»
Eftersom sensorn är modulär kan forskare koppla den till andra molekylära komponenter. Enligt Utrecht universitets pressmeddelande kan denna flexibilitet låta forskare kartlägga var DNA-skador uppstår över hela genomet, analysera vilka proteiner som samlas vid skadade platser och till och med flytta skadat DNA till olika positioner i kärnan för att testa hur platsen påverkar reparationen.
Även om sensorn inte är en behandling förväntar sig teamet att den ska stödja medicinsk och toxikologisk forskning. Många cancerterapier och experimentella föreningar fungerar genom att skada DNA i tumörceller, och tidiga tester förlitar sig ofta på antikroppar för att mäta hur mycket skada ett läkemedel orsakar. Utrecht-gruppen rapporterar att deras levande cell-sensor kan göra sådana bedömningar billigare, snabbare och mer exakta, och kan också hjälpa i studier av naturligt åldrande och övervakning av exponering för strålning eller andra mutagena agens.
Arbetet beskrivs i tidskriften Nature Communications under titeln «Konstruerade kromatinläsare spårar skadad kromatin-dynamik i levande celler och djur», ledd av försteförfattaren Richard Cardoso da Silva och seniorförfattaren Tuncay Baubec. Utrecht universitet säger att teamet har gjort verktyget fritt tillgängligt, med information och konstruktioner delade online så att andra laboratorier kan börja använda sensorn i sin egen DNA-reparationsforskning.
