Salk-forskare upptäcker att CYREN-mikroprotein hjälper celler att välja den bästa vägen för att reparera gener och undvika cancer. Till vänster:Kromosomer (röda) med telomerer (gröna) som är ostörda förblir orörda och separata. Höger:när CYREN är frånvarande, kromosomer som har störts för att artificiellt utlösa NHEJ visar fusioner som är karakteristiska för reparation efter att DNA kopierats. Kredit:Salk Institute
Är det bättre att göra en uppgift snabbt och göra misstag, eller att göra det sakta men perfekt? När det gäller att bestämma hur man fixar brott i DNA, celler står inför samma val mellan två stora reparationsvägar. Beslutet har betydelse, eftersom fel val kan orsaka ännu mer DNA-skador och leda till cancer.
Forskare från Salk Institute fann att ett litet protein som heter CYREN hjälper celler att välja rätt väg vid rätt tidpunkt, klargör ett långvarigt mysterium om DNA-reparation och erbjuder forskare ett kraftfullt verktyg som kan vägleda bättre behandlingar för cancer. Verket dyker upp i Natur den 20 september, 2017.
"Att klargöra DNA-reparationsvägar är avgörande för att förstå hur de ibland kan vara giftiga, säger Jan Karlseder, en professor vid Salks Molecular and Cell Biology Laboratory och seniorförfattaren till den nya artikeln. "Vår upptäckt av CYRENs funktion bidrar inte bara till vår kunskapsmassa, det ger oss ett nytt verktyg för att potentiellt bekämpa cancer."
Dubbelsträngsbrott, de allvarligaste skadorna som händer på DNA, kan repareras med en av två vägar:en snabb men felbenägen process känd som NHEJ (icke-homolog ändfogning) och en långsammare, felfri väg känd som HR (homolog rekombination). Den snabbare vägen sammanfogar effektivt brutna trådar, men i fallet med flera avbrott kan det förena fel två ändar, gör saker mycket värre för en cell. Den långsammare vägen är felfri eftersom den förlitar sig på att ha en oskadad DNA-sekvens för att vägleda reparationen, men det betyder att den bara kan fungera efter att en cell har kopierat sin genetiska information för att dela sig. Givet att, den snabba vägen fungerar uteslutande innan DNA kopieras, även om dess maskineri är så effektivt och produktivt att forskare har undrat varför det inte konkurrerar ut den långsammare, mer exakt väg efter kopiering, för. Forskare har länge misstänkt att något måste hålla det snabbare alternativet tillbaka i dessa fall.
Det där, det nya verket avslöjar, är ett mikroprotein som heter CYREN, som hämmar den snabbare vägen när en DNA-kopia är tillgänglig för den långsammare vägen att använda. CYREN upptäcktes av en annan Salk-forskare, Alan Saghatelian, som en del av ett försök 2015 att identifiera små proteiner som kallas "korta ORF-kodade peptider" eller SEP, som alltmer visar sig ha kritiska biologiska roller.
Rätt sätt att reparera DNA. Denna tecknade serie illustrerar den undertryckande effekten av CYREN på den normalt snabbare NHEJ DNA-reparationsvägen, ger den långsammare HR-vägen en chans att ta sig framåt. Kredit:Salk Institute
"Vi hittade många av dessa peptider i vår tidigare studie men vi visste inte riktigt om någon av dem var viktig förrän Karlseder-labbet blev involverat, säger Saghatelian, en professor i Clayton Foundation Laboratories for Peptide Biology och en av tidningens medförfattare. "Tack vare detta imponerande nya arbete, vi vet nu att det finns några riktigt viktiga molekyler bland de hundratals vi upptäcker."
Saghatelians forskning hade föreslagit att CYREN interagerade med huvudströmbrytaren för den snabbare vägen, ett protein som heter Ku. För att bestämma den exakta typen av interaktion, Karlseders team arbetade med en region av genomet där reparation normalt undertrycks för att förhindra farliga fusioner:ändarna på kromosomerna, kallas telomerer. Forskare kan artificiellt störa telomerer för att aktivera den snabba vägen, vilket gör det till ett modellsystem för att testa CYRENs effekter.
"Telomerer erbjuder ett fantastiskt forskningsverktyg eftersom de verkligen behöver förtränga reparation, men det finns sätt att aktivera reparationsmaskineriet så att du kan studera det på ett mycket kontrollerat sätt, säger Nausica Arnoult, en Salk forskarassistent och första författare till artikeln. Salk-teamet gjorde det, och fann att med CYREN närvarande, inga reparationer inträffade efter att cellen kopierat sitt DNA, tyder på att den slår av huvudströmbrytaren, Ku. Utan CYREN i närheten, Kus snabba väg var aktiv både innan DNA kopierades och efter.
Eftersom telomerexperimenten inte berättade så mycket för teamet om konkurrensen mellan de snabba och långsamma banorna, Arnoult använde sedan molekylära verktyg för att jämföra reparation i levande celler med och utan CYREN. Hon kombinerade DNA-saxen som kallas CRISPR med gener för fluorescerande proteiner som skulle triggas av reparation så att hon kunde klippa DNA på specifika sätt och se från den efterföljande färgen vilken väg som hade gjort reparationen. Hon analyserade också alla proteininteraktioner som ägde rum.
Dessa experiment avslöjade att CYREN binder direkt till Ku för att hämma den snabba vägen både beroende på tidpunkten (före eller efter DNA-kopiering) och typen av DNA-brott (slät kontra taggig, till exempel). Dess aktivitet kan till och med justera förhållandet mellan snabba och långsamma reparationer.
"Vår studie visar att CYREN är en viktig regulator för val av DNA-reparationsvägar, säger Karlseder, som innehar Donald och Darlene Shiley-stolen på Salk. "Arbetet pekar också på den spännande möjligheten att potentiellt introducera DNA-skador i cancerceller och använda CYREN för att förhindra dem från att göra reparationer."
