Wetenschap
Onderzoekers ontdekken menselijk DNA-herstel door middel van nucleaire metamorfose
Onderzoekers van de Universiteit van Toronto hebben een DNA-reparatiemechanisme ontdekt dat het inzicht vergroot in hoe menselijke cellen gezond blijven, en dat zou kunnen leiden tot nieuwe behandelingen tegen kanker en vroegtijdige veroudering.
De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Structural and Molecular Biology , werpt ook licht op het werkingsmechanisme van een aantal bestaande chemotherapiemedicijnen.
“Wij denken dat dit onderzoek het mysterie oplost van hoe dubbelstrengige DNA-breuken en de nucleaire envelop zich verbinden voor herstel in menselijke cellen”, zegt professor Karim Mekhail, co-hoofdonderzoeker van het onderzoek en hoogleraar laboratoriumgeneeskunde en pathobiologie aan de Universiteit van New York. T's Temerty Faculteit Geneeskunde.
"Het maakt ook veel eerder gepubliceerde ontdekkingen in andere organismen toepasbaar in de context van menselijk DNA-herstel, wat de wetenschap zou moeten helpen nog sneller vooruit te komen."
Dubbelstrengige DNA-breuken ontstaan wanneer cellen worden blootgesteld aan straling en chemicaliën, en door interne processen zoals DNA-replicatie. Ze zijn een van de ernstigste vormen van DNA-schade omdat ze de celgroei kunnen vertragen of in een stroomversnelling kunnen brengen, waardoor veroudering en kanker worden bevorderd.
De nieuwe ontdekking, gedaan in menselijke cellen en in samenwerking met professor Razqallah Hakem, onderzoeker bij University Health Network en professor bij Temerty Medicine, breidt eerder onderzoek uit naar DNA-schade in gist door Mekhail en andere wetenschappers.
In 2015 lieten Mekhail en medewerkers zien hoe motoreiwitten diep in de kern van gistcellen dubbelstrengige breuken transporteren naar 'DNA-ziekenhuisachtige' eiwitcomplexen ingebed in de nucleaire envelop aan de rand van de kern.
Andere onderzoeken brachten gerelateerde mechanismen aan het licht tijdens DNA-reparatie bij vliegen en andere organismen. Wetenschappers die vergelijkbare mechanismen in menselijke en andere zoogdiercellen onderzochten, rapporteerden echter weinig tot geen DNA-mobiliteit voor de meeste breuken.
"We wisten dat nucleaire envelopeiwitten belangrijk zijn voor het DNA-herstel van de meeste van deze organismen, dus vroegen we ons af hoe we de beperkte mobiliteit van beschadigd DNA in zoogdiercellen konden verklaren", zegt Mekhail.
Het antwoord is zowel verrassend als elegant.
Wanneer DNA in de kern van een menselijke cel wordt beschadigd, vormt zich een specifiek netwerk van microtubulusfilamenten in het cytoplasma rond de kern en drukt op de nucleaire envelop. Dit veroorzaakt de vorming van kleine buisjes, of tubuli, die tot in de kern reiken en de meeste dubbelstrengige breuken opvangen.
"Het is alsof je vingers op een ballon drukken", zegt Mekhail. "Als je in een ballon knijpt, vormen je vingers tunnels in de structuur, waardoor sommige delen van de buitenkant van de ballon naar binnen worden gedwongen."
Verder onderzoek door de auteurs van het onderzoek heeft verschillende aspecten van dit proces gedetailleerd beschreven. Enzymen die DNA-schaderesponskinasen en tubuline-acetyltransferase worden genoemd, zijn de belangrijkste regulatoren van het proces en bevorderen de vorming van de tubuli.
Enzymen zetten een chemische markering af op een specifiek deel van de microtubulusfilamenten, waardoor ze kleine motoreiwitten recruteren en op de nucleaire envelop drukken. Als gevolg hiervan duwen de reparatiebevorderende eiwitcomplexen de envelop diep in de kern, waardoor bruggen naar de DNA-breuken worden gecreëerd.
"Dit zorgt ervoor dat de kern een vorm van omkeerbare metamorfose ondergaat, waardoor de envelop tijdelijk DNA door de kern kan infiltreren, waardoor gebroken DNA wordt opgevangen en opnieuw wordt verbonden", zegt Mekhail.
De bevindingen hebben aanzienlijke implicaties voor sommige kankerbehandelingen.
Normale cellen gebruiken de tubuli van de nucleaire envelop om DNA te repareren, maar kankercellen lijken ze meer nodig te hebben. Om de potentiële impact van dit mechanisme te onderzoeken, analyseerde het team gegevens van meer dan 8.500 patiënten met verschillende vormen van kanker. De noodzaak was zichtbaar bij verschillende vormen van kanker, waaronder triple-negatieve borstkanker, die zeer agressief is.
"Er wordt enorm veel moeite gedaan om nieuwe therapeutische wegen voor kankerpatiënten te identificeren, en deze ontdekking is een grote stap voorwaarts", zegt Hakem, een senior wetenschapper bij het Princess Margaret Cancer Center van UHN en professor aan de afdeling medische biofysica en afdeling van U of T. van laboratoriumgeneeskunde en pathobiologie.
"Tot nu toe waren wetenschappers onduidelijk over de relatieve impact van de nucleaire envelop op het herstel van beschadigd DNA in menselijke cellen. Onze samenwerking onthulde dat het richten op factoren die de nucleaire envelop moduleren voor beschadigd DNA-herstel de ontwikkeling van borstkanker effectief tegenhoudt", zegt Hakem. .
Bij de agressieve drievoudige negatieve borstkanker zijn er verhoogde niveaus van de tubuli, waarschijnlijk omdat deze meer DNA-schade hebben dan normale cellen. Toen de onderzoekers de genen uitschakelden die nodig waren om de tubuli te controleren, waren kankercellen minder goed in staat tumoren te vormen.
Eén medicijn dat wordt gebruikt om drievoudige negatieve borstkanker te behandelen, is een klasse geneesmiddelen die PARP-remmers worden genoemd. PARP is een enzym dat zich bindt aan beschadigd DNA en het helpt repareren. PARP-remmers voorkomen dat het enzym reparaties uitvoert, waardoor wordt voorkomen dat de uiteinden van een dubbelstrengige DNA-breuk in kankercellen zich opnieuw met elkaar verbinden.
De kankercellen komen uiteindelijk terecht bij twee gebroken uiteinden die geen deel uitmaken van hetzelfde paar. Naarmate er meer niet-overeenkomende paren worden gecreëerd, wordt het voor cellen onmogelijk om de resulterende DNA-structuren te kopiëren en te delen.
"Ons onderzoek toont aan dat het vermogen van het medicijn om deze mismatches te veroorzaken afhankelijk is van de tubuli. Als er minder tubuli aanwezig zijn, zijn kankercellen resistenter tegen PARP-remmers", zegt Hakem.
Partnerschappen tussen onderzoekers op verschillende gebieden waren essentieel voor de bevindingen in kankercellen. Het onderzoek onderstreept het belang van interdisciplinaire samenwerking, zegt Mekhail.
"De hersenkracht achter elk project is cruciaal. Elk teamlid telt. Bovendien is elke juiste medewerker die aan het onderzoeksproject wordt toegevoegd, vergelijkbaar met het behalen van nog een doctoraat in een nieuw specialisme; het is krachtig", zegt hij.
Mekhail merkt op dat de ontdekking ook relevant is voor vroegtijdige veroudering zoals progeria. De zeldzame genetische aandoening veroorzaakt snelle veroudering binnen de eerste twintig jaar van het leven, wat vaak leidt tot vroegtijdig overlijden.
Progeria is gekoppeld aan een gen dat codeert voor lamin A. Mutaties in dit gen verminderen de stijfheid van de nucleaire envelop. Het team ontdekte dat de expressie van mutant lamin A voldoende is om de tubuli te induceren, die DNA-beschadigende stoffen verder versterkten. Het team denkt dat zelfs een zwakke druk op de nucleaire envelop de vorming van tubuli in vroegtijdig verouderende cellen stimuleert.
De bevindingen suggereren dat bij progeria het DNA-herstel kan worden aangetast door de aanwezigheid van te veel of slecht gereguleerde tubuli. De onderzoeksresultaten hebben ook implicaties voor veel andere klinische aandoeningen, zegt Mekhail.
"Het is spannend om na te denken over waar deze bevindingen ons naartoe zullen leiden", zegt Mekhail. "We hebben uitstekende collega's en geweldige stagiaires hier bij Temerty Medicine en in onze partnerziekenhuizen. We werken er al aan om deze ontdekking te volgen en ons werk te gebruiken om nieuwe therapieën te creëren."