Разработка инструментов для визуализации репарации ДНК с беспрецедентной детализацией
Каждая из триллионов клеток человеческого тела ежедневно подвергается более чем 10 000 повреждений ДНК. Эти повреждения были бы катастрофичны, если бы клетки не могли их репарировать, но для предотвращения мутаций и заболеваний, таких как рак, работает сложный механизм обнаружения и починки генетических повреждений. С помощью машинного обучения, применённого к высокопроизводительной микроскопии, исследователь Барбара Мартинес (CNIO) и команда Рауля Мостославски (Массачусетская больница общего профиля, США) визуализировали этот механизм репарации и идентифицировали новые репарационные белки. Результаты опубликованы в Cell Reports.
При повреждении ДНК (например, двуцепочечном разрыве) клетка активирует ответ на повреждение ДНК, который действует как «вызов экстренных служб». Белки быстро связываются с повреждённой ДНК, отправляя сигналы тревоги, которые распознаются другими белками, специализирующимися на репарации.
Цель химиотерапии — убить опухолевые клетки, индуцируя повреждения ДНК. «Понимание того, как возникают и репарируются повреждения ДНК, поможет нам больше узнать о развитии рака и методах борьбы с ним», — говорит Мартинес.
Исследователи разработали новую методологию, которая с помощью метода машинного обучения от CNIO позволила проанализировать этот процесс с беспрецедентной детализацией. Ограничивающим фактором ранее была неспособность обработать огромный объём данных, генерируемых микроскопом.
Учёные использовали высокопроизводительную микроскопию, позволяющую получать тысячи изображений клеток после индукции генетического повреждения. На первом этапе они ввели в клетки более 300 различных белков и оценили, влияют ли они на репарацию ДНК. Это привело к открытию девяти новых белков, вовлечённых в процесс репарации.
Далее авторы визуально отследили поведение всех 300 белков после повреждения. Для этого они впервые адаптировали классическую технику микрооблучения ДНК (повреждение УФ-лазером) для крупномасштабного анализа.
«Мы увидели, что многие белки присоединяются к повреждённой ДНК, а другие, наоборот, удаляются от места повреждения. И то, и другое — общая черта репарационных белков. Оба явления важны».
Один из открытых белков — PHF20. Показано, что он удаляется от повреждений в течение секунд после их возникновения, чтобы облегчить рекрутирование белка 53BP1, критического для репарации. Клетки без PHF20 не могут правильно репарировать свою ДНК и более чувствительны к облучению, что указывает на важность PHF20 для репарации.
Эти технологии открывают новые возможности для изучения и манипулирования репарацией ДНК. «Преимущество в том, что обе платформы очень универсальны и могут использоваться для открытия новых генов или химических соединений, влияющих на репарацию».
Работа финансировалась Министерством науки и инноваций Испании, Институтом здоровья Карлоса III, Национальными институтами здоровья США (NIH), программой Marie Curie COFUND FP7, Массачусетской больницей общего профиля, Европейским исследовательским советом и Советом по естественным и инженерным наукам Канады.