Forskare vid University of Toronto har upptäckt en DNA-reparationsmekanism som främjar förståelsen av hur mänskliga celler förblir friska och som kan leda till nya behandlingar för cancer och för tidigt åldrande.
Studien, publicerad i tidskriften Nature Structural and Molecular Biology , belyser också verkningsmekanismen för vissa existerande kemoterapiläkemedel.
"Vi tror att den här forskningen löser mysteriet om hur DNA-dubbelsträngen går sönder och kärnhöljet kopplas ihop för reparation i mänskliga celler", säger professor Karim Mekhail, huvudforskare för studien och professor i laboratoriemedicin och patobiologi vid U. T:s medicinska fakultet i Temerty.
"Det gör också många tidigare publicerade upptäckter i andra organismer användbara i samband med mänsklig DNA-reparation, vilket borde hjälpa vetenskapen att gå ännu snabbare."
DNA-dubbelsträngsbrott uppstår när celler utsätts för strålning och kemikalier, och genom interna processer som DNA-replikation. De är en av de allvarligaste typerna av DNA-skador eftersom de kan stoppa celltillväxten eller sätta den i överdrift, vilket främjar åldrande och cancer.
Den nya upptäckten, gjord i mänskliga celler och i samarbete med professor Razqallah Hakem, forskare vid University Health Network och professor vid Temerty Medicine, utökar tidigare forskning om DNA-skador i jäst av Mekhail och andra forskare.
År 2015 visade Mekhail och medarbetare hur motorproteiner djupt inne i kärnan av jästceller transporterar dubbelsträngsbrott till "DNA sjukhusliknande" proteinkomplex inbäddade i kärnhöljet vid kanten av kärnan.
Andra studier avslöjade relaterade mekanismer under DNA-reparation hos flugor och andra organismer. Men forskare som utforskar liknande mekanismer i mänskliga och andra däggdjursceller rapporterade liten eller ingen DNA-rörlighet under de flesta raster.
"Vi visste att kärnhöljesproteiner var viktiga för DNA-reparation i de flesta av dessa organismer, så vi undrade hur vi skulle förklara den begränsade rörligheten hos skadat DNA i däggdjursceller", säger Mekhail.
Svaret är både överraskande och elegant.
När DNA inuti kärnan i en mänsklig cell skadas, bildas ett specifikt nätverk av mikrotubuli filament i cytoplasman runt kärnan och trycker på kärnhöljet. Detta leder till bildandet av små rör, eller tubuli, som når in i kärnan och fångar de flesta dubbelsträngsbrott.
"Det är som att fingrar trycker på en ballong", säger Mekhail. "När du klämmer en ballong bildar dina fingrar tunnlar i dess struktur, vilket tvingar in vissa delar av ballongens yttre inuti sig själv."
Ytterligare forskning av studieförfattarna detaljerade flera aspekter av denna process. Enzymer som kallas DNA-skaderesponskinaser och tubulinacetyltransferas är huvudregulatorerna för processen och främjar bildandet av tubuli.
Enzymer avsätter ett kemiskt märke på en specifik del av mikrotubulifilamenten, vilket får dem att rekrytera små motorproteiner och trycka på kärnhöljet. Följaktligen pressar de reparationsfrämjande proteinkomplexen höljet djupt in i kärnan och skapar broar till DNA-brytningarna.
"Detta säkerställer att kärnan genomgår en form av reversibel metamorfos, vilket gör att höljet tillfälligt kan infiltrera DNA genom hela kärnan, fånga och återansluta trasigt DNA", säger Mekhail.
Fynden har betydande konsekvenser för vissa cancerbehandlingar.
Normala celler använder kärnhöljets tubuli för att reparera DNA, men cancerceller verkar behöva dem mer. För att utforska mekanismens potentiella inverkan analyserade teamet data som representerade över 8 500 patienter med olika cancerformer. Behovet var synligt i flera cancerformer, inklusive trippelnegativ bröstcancer, som är mycket aggressiv.
"Det finns en enorm ansträngning för att identifiera nya terapeutiska vägar för cancerpatienter, och denna upptäckt är ett stort steg framåt", säger Hakem, senior forskare vid UHN:s Princess Margaret Cancer Center och professor vid U of T:s avdelning för medicinsk biofysik och avdelning av laboratoriemedicin och patobiologi.
"Fram till nu var forskarna oklart om kärnhöljets relativa inverkan på reparationen av skadat DNA i mänskliga celler. Vårt samarbete visade att inriktningsfaktorer som modulerar kärnhöljet för skadad DNA-reparation effektivt hämmar utvecklingen av bröstcancer," säger Hakem .
I den aggressiva trippelnegativa bröstcancern finns förhöjda nivåer av tubuli, troligen för att de har mer DNA-skada än normala celler. När forskarna slog ut generna som behövdes för att kontrollera tubuli, hade cancerceller mindre förmåga att bilda tumörer.
Ett läkemedel som används för att behandla trippelnegativ bröstcancer är en klass av läkemedel som kallas PARP-hämmare. PARP är ett enzym som binder till och hjälper till att reparera skadat DNA. PARP-hämmare blockerar enzymet från att reparera, vilket förhindrar ändarna av ett dubbelsträngat DNA-brott i cancerceller från att återansluta till varandra.
Det slutar med att cancercellerna förenar två trasiga ändar som inte är en del av samma par. När fler felaktiga par skapas, blir de resulterande DNA-strukturerna omöjliga för celler att kopiera och dela sig.
"Vår studie visar att läkemedlets förmåga att utlösa dessa missmatchningar beror på tubuli. När färre tubuli finns är cancerceller mer motståndskraftiga mot PARP-hämmare", säger Hakem.
Partnerskap mellan forskare inom olika områden var avgörande för upptäckten i cancerceller. Studien understryker vikten av tvärvetenskapligt samarbete, säger Mekhail.
"Hjärnkraften bakom varje projekt är avgörande. Varje gruppmedlem räknas. Alla rätt samarbetspartner som läggs till i forskningsprojektet liknar också att ta ytterligare en doktorsexamen i en ny specialitet; det är kraftfullt", säger han.
Mekhail noterar att upptäckten också är relevant för för tidigt åldrande tillstånd som progeria. Det sällsynta genetiska tillståndet orsakar snabbt åldrande under de första två decennierna av livet, vilket vanligtvis leder till tidig död.
Progeria är kopplad till en gen som kodar för lamin A. Mutationer i denna gen minskar styvheten hos kärnhöljet. Teamet fann att uttryck av mutant lamin A är tillräckligt för att inducera tubuli, vilka DNA-skadande ämnen förstärkte ytterligare. Teamet tror att även svagt tryck på kärnhöljet sporrar till skapandet av tubuli i för tidigt åldrande celler.
Fynden tyder på att i progeria kan DNA-reparation äventyras av närvaron av för många eller dåligt reglerade tubuli. Studieresultaten har också konsekvenser för många andra kliniska tillstånd, säger Mekhail.
"Det är spännande att tänka på vart dessa fynd kommer att leda oss härnäst", säger Mekhail. "Vi har utmärkta kollegor och otroliga praktikanter här på Temerty Medicine och på våra partnersjukhus. Vi arbetar redan för att följa denna upptäckt och använda vårt arbete för att skapa nya terapier."
Mer information: DNA-dubbelsträngbrottsfångande tubuli i kärnhöljet driver DNA-reparation, Naturstruktur och molekylärbiologi (2024). DOI:10.1038/s41594-024-01286-7
Journalinformation: Naturstruktur och molekylärbiologi , Naturstrukturell och molekylärbiologi
Tillhandahålls av University of Toronto
