科学家使用新型光镊技术研究DNA修复

Brittani Schnable躲在UPMC Hillman 癌症中心一间又小又黑的房间里，正在进行一次钓鱼探险。

她挥舞着类似于视频游戏玩家使用的操纵杆，将微型珠子投入分子海洋中，将珠子推拉开，直到它们最终捕捉到一条 DNA 链。轻敲几下键盘后，灯光秀开始了。黑色的屏幕上，五彩缤纷，如同夜空中绽放的烟花。

虽然这些颜色起初看起来是随机的，但一种模式开始出现。蓝光和红光划过屏幕：DNA 修复蛋白已与损伤部位结合。

施纳布尔，博士 匹兹堡大学 Bennett Van Houten 博士实验室的学生正在使用称为 C-trap 的尖端技术来操纵单个 DNA 分子和一种新方法——本周在《核酸研究》中有所描述——允许快速简便生产用于单分子可视化的蛋白质。这个新颖的系统为 Van Houten 和他的团队提供了无与伦比的细节，这将帮助他们探索细胞如何发现和修复受损的 DNA，这些信息有朝一日可以用来阻止癌症的发展。

“我喜欢将 DNA 损伤视为一个坑洞，”皮特大学药理学与化学生物学系教授 Van Houten 博士说。“在一个特定的 DNA 修复途径中，从找到坑洞到放入修复补丁需要大约 30 种蛋白质。虽然我们不能一次观察到所有这些蛋白质，但我们可以两个一个地观察它们。”

Van Houten 的实验室对修复因环境因素(例如来自太阳的紫外线 (UV) 辐射和环境污染物)引起的 DNA 损伤的修复蛋白很感兴趣。如果这些修复途径发生故障，DNA 损伤会导致衰老、癌症、神经退化和其他疾病。

在这项新研究中，研究人员使用 C-trap 来研究不同的 DNA 修复蛋白如何识别和结合它们各自的损伤形式。

C-trap 系统借鉴了获得诺贝尔奖的称为光镊的技术，该技术使用强光束抓住并移动微珠，直到它们粘附在分子的任一侧——在这种情况下是一条受损的 DNA 链。

“你可以将两个珠子移动到一起，希望两个 DNA 末端像魔术贴一样固定在每个珠子上。当你将珠子移得更远时，你实际上可以像弹簧或橡皮筋​​一样感受到 DNA 力的测量，”第一作者 Van Houten 实验室的博士后研究员 Matthew Schaich 博士说。

一旦设置好 DNA 诱饵，就该开始寻找蛋白质了。

与肯特大学的研究人员合作，Van Houten 小组开发了一种新方法，称为核提取物中 DNA 结合蛋白的单分子分析，简称 SMADNE。与传统方法相比，该技术允许用户更快、更轻松地创建荧光标记的蛋白质。使用 SMADNE，研究人员从细胞核中提取了 DNA 修复蛋白。然后他们将这些蛋白质引入到 C-trap 中，并分析了它们如何以及何时与含有各种类型损伤的 DNA 结合。

Schaich 对两种特殊的修复蛋白 DDB1 和 DDB2 之间的关系很感兴趣，这两种蛋白有助于修复太阳造成的损伤，Schaich 观察了这些蛋白质作为五颜六色的光斑在 DNA 上跳来跳去，并研究了它们接近和撤退的方式。紫外线伤害。

“你有一个 DNA 损伤区域，你想知道细胞如何识别和修复它，”Schaich 解释说。“要了解的最重要的事情之一是谁先到达那里。一旦它到达，它会在整个修复级联中停留吗?它会把修复交给不同的蛋白质吗?使用 C-trap，您可以观察蛋白质的来来去去，并了解很多关于组装和拆卸顺序的信息。”

Van Houten 将 DNA 修复蛋白视为人们在酒吧社交。

“两个人走进一家酒吧。谁先进门?他们在酒吧一起坐了多久，然后谁先离开酒吧?DNA 修复蛋白，就像人一样，是动态的，”Van Houten 说。

研究人员发现，当 DDB1 和 DDB2 在受损部位一起工作时，它们通常会像预期的那样一起到达 DNA 并一起离开。然而，令人惊讶的是，他们还看到了 11 种不同的结合和解离模式，这两种蛋白质在不同时间到达和离开，突出了科学家可以使用这项新技术观察到的令人难以置信的细节。

除了 DDB1 和 DDB2 之外，Van Houten 的团队还使用 C-trap 和 SMADNE 研究了来自几种不同修复途径的大量 DNA 修复蛋白的活动，以努力提高对这些修复系统的理解。

通过了解我们的 DNA 修复过程是如何工作的，科学家们可以更好地了解这些通路的中断如何导致癌症等疾病，并推动寻找更好的治疗方法。

“DNA 修复是一把双刃剑，”Van Houten 解释道。“如果你没有有效的修复，环境压力因素可能会造成足以导致癌症发展的损害。另一方面，许多癌症治疗通过靶向 DNA 修复机制来杀死肿瘤。”

Van Houten 和他的团队已经为他们的 SMADNE 系统申请了专利，并将继续分析该紫外线损伤修复途径中的所有 30 种蛋白质。

“C-trap 和 SMADNE 的结合为 DNA 修复的研究开辟了无限的机会。但是我们使用这个新工具可以回答的最重要的问题是什么?” Van Houten 说。“对我来说，就是了解每种蛋白质在这条通路中的确切作用。”

该研究的其他研究人员是皮特大学或 UPMC 的 Namrata Kumar 博士、Vera Roginskaya 和 Rachel Jakielski;肯特大学的 Roman Urban 和 Neil Kad 博士;和 LUMICKS 的 Zhou Zhong 博士。

这项工作得到了国立卫生研究院 (R35ES031638) 和希尔曼创新癌症研究 (MAS) 博士后奖学金

和 2P30CA047904 到 UPMC 希尔曼癌症中心的支持。