Bild på DNA

​​​​​​​
​​

DNA-reparation studeras med molekylär precision

DNA-brott och felaktig reparation av dessa kan i mänskliga celler ha förödande konsekvenser för cellen − men också hela människan − då brotten kan ligga bakom vissa sjukdomsförlopp, till exempel cancer. Med en unik kombination av metoder har forskare vid Chalmers undersökt en mekanism för reparation av DNA-brott hos bakterier, som skulle kunna öka förståelsen även för reparation av DNA-brott i mänskliga celler.

​​Fredrik Westerlund, biträdande professor i kemisk biologi vid institutionen för biologi och bioteknik, tilldelades 2019 Europeiska forskningsrådets prestigefyllda forskningsanslag ERC Consolidator Grant för projektet ”Next Generation Nanofluidics for Single Molecule Analysis of DNA Repair Dynamics”. Nu har hans forskargrupp publicerat en studie kopplad till projektet där man har undersökt det bakteriella DNA-reparationssystem som ansvarar för så kallad Non-Homologous End-Joining (NHEJ).

Vad är NHEJ och varför vill ​man veta mer om det?

Bild på Fredrik WEsterlundFredrik Westerlund: DNA-molekyler kan gå av – det sker hela tiden i alla sorters celler – och det är en av de värsta DNA-skadorna som en cell kan råka ut för. Så kallade dubbelsträngsbrott kan bland annat leda till att livsuppehållande processer stoppas i cellen. Om DNA-molekylen lagas felaktigt kan cellen potentiellt även förlora eller få förändrad genetisk information, det vill säga den information som styr cellens alla funktioner. Det i sin tur kan leda till celldöd eller initiering av olika sjukdomsförlopp, till exempel cancer. Det gäller att DNA-brotten lagas så snabbt och effektivt som möjligt och alla celler har därför system för detta. 

Det finns två olika mekanismer för lagning av DNA-brott; ”Homologous Recombination” – när de inblandade enzymerna använder en identisk kopia av den trasiga DNA-molekylen som mall – och NHEJ där enzymer limmar ihop de DNA-ändar som finns tillgängliga, utan att använda en mall. 

NHEJ upptäcktes först i humana celler, men man har även kommit underfund med att det existerar i bakterier – dock med betydligt färre komponenter. Vi insåg därmed att det skulle kunna fungera som ett intressant modellsystem. 

Vad innebär begreppet m​odellsystem? 

Bildpå Robin ÖzRobin Öz, postdoc på avdelningen för kemisk biologi, och förstaförfattare till studien: Det innebär att vi börjar titta på ett enklare system, i detta fall bakterier, med syfte att i förlängningen få bättre förståelse för hur mänskliga celler reparerar sitt DNA. Eftersom felaktig lagning av DNA-brott spelar en stor roll vid till exempel cancersjukdom kan modellsystemet hjälpa oss att förstå hur exempelvis cancerceller uppstår och hur man skulle kunna motverka att de sprider sig vidare. Vi använder oss helt enkelt av en enklare modell, som i detta fall består av endast två komponenter, för att skapa oss en bättre bild av det mycket mer komplexa humana systemet som består av betydligt fler proteiner.  

Vad har studien vis​at?

Fredrik Westerlund: I studien har vi fokuserat på ett av de två proteiner som ingår i det bakteriella NHEJ-systemet. Det humana systemet har ett tiotal inblandade proteiner för samma funktion. Vi samarbetar med en grupp i Frankrike och tillsammans har vi identifierat viktiga skillnader mellan de bakteriella och humana systemen. Tidigare studier har visat att ett protein, kallat Ku, binder in till trasiga ändar av DNA, agerar som skydd mot de system i cellen som förstör DNA, och bryggar DNA-ändarna.  Efter detta lockar Ku till sig den andra komponenten, Ligas D, som kan laga DNA-ändarna. Vi har i vår grupp utvecklat en metod där vi sträcker ut DNA-molekylerna i nanokalanaler, tunna glasrör, utan att binda fast dem i ändarna. Det innebär att vi kan studera processer och interaktioner som sker i dessa fria ändar när olika proteiner tillsätts. På detta sätt har vi kunnat visa tidigare okända mekanismer för hur Ku binder in till DNA. 

Robin Öz: Studien har visat att det finns väldigt intressanta likheter mellan DNA-reparationssystem hos bakterier och humana celler, samtidigt som mekanismerna skiljer sig åt väldigt mycket. Tidigare har det varit oklart vad som händer med proteinerna som sitter fast på DNAt efter att reparationen har genomförts. Vi har nu bland annat visat att Ku faktiskt sitter fast på DNAt upp till flera timmar efter reparationen genomförts, vilket innebär att det potentiellt finns andra, idag okända system som är delaktiga i slutfasen av reparationsprocessen.

Vad kan man göra med den kunskapen?

Fredrik Westerlund: Nästa steg är att visa hur ligaset som binder in till Ku fungerar. NHEJ i bakterier skulle kunna vara ett viktigt mål för nya bakteriedödande läkemedel. Olika varianter av kombinerade behandlingar har blivit väldigt aktuella i kampen mot antibiotikaresistenta bakterier, till exempel kan man tänka sig en kombination av läkemedel som skadar DNA − och dessutom slår ut reparationssystemet av DNA-brotten. 

Text: Susanne Nilsson Lindh
Foto: Pixabay, Johan Bodell & Martina Butorac


Läs hela studien i Nucleic Acid Research

 Dynamics of Ku and bacterial non-homologous end-joining characterized using single DNA molecule analysis​

Läs mer: 

ERC-anslag för ny metod att studera DNA-reparation

Unik Chalmersmetod ger nu kunskap om reparation av DNA-skador

Sidansvarig Publicerad: to 11 mar 2021.