תעלומה בת עשרות שנים נפתרה: מדענים מפצחים את הקוד של תיקון DNA

חוקרים מה-LMS וה-LMB גילו כיצד תסביך החלבון D2-I מזהה ומתתקן DNA נזק, פריצת דרך שמבטיחה לשפר את הטיפולים בסרטן על ידי שיפור ההבנה שלנו לגבי מסלולי תיקון DNA. שיתוף פעולה זה יכול לסלול את הדרך לטיפולים יעילים יותר על ידי מיקוד המנגנונים שבהם משתמשים תאי סרטן כדי להתנגד לטיפול.

שיתוף פעולה בין חוקרים בשני מכוני המועצה למחקר רפואי במימון ליבה של בריטניה – המעבדה למדעי הרפואה (LMS) בלונדון והמעבדה לביולוגיה מולקולרית (LMB) בקיימברידג' – גילה תעלומה בת עשרות שנים, שעלולה להוביל לשיפור טיפולי סרטן בעתיד.

העבודה, שחשפה את המנגנון הבסיסי של האופן שבו אחת ממערכות תיקון ה-DNA החיוניות ביותר שלנו מזהה נזקי DNA ויוזמת את תיקונם, חמקה מהחוקרים במשך שנים רבות. באמצעות טכניקות הדמיה חדשניות כדי להמחיש כיצד חלבוני תיקון ה-DNA הללו נעים על מולקולה אחת של DNA, ומיקרוסקופיה אלקטרונית כדי ללכוד כיצד הם "ננעלים" על מבני DNA ספציפיים, מחקר זה פותח את הדרך לטיפולי סרטן יעילים יותר.

שיתוף הפעולה בין המעבדות של פרופסור דיוויד רואדה (LMS) וד"ר לורי פאסמור (LMB) היווה דוגמה מבריקה לאופן שבו #teamscience יכול לשאת תוצאות פוריות ומדגיש את החשיבות של שני המכונים הללו בהנעת מחקר קדימה שפותח את המנגנונים הבסיסיים של ביולוגיה שתעמוד בבסיס התרגום העתידי של עבודה זו לשיפורים בבריאות האדם.

מולקולה בודדת של DNA (לא נראית ישירות) נלכדת באמצעות חרוזים מיקרוסקופיים (המעגלים הגדולים). כל אחת מהנקודות האדומות, הירוקות או הצהובות הנעות בין החרוזים מייצגת קומפלקס חלבון FANCD2I-FANCI המחליק לאורך מולקולת ה-DNA, עוקב אחר נזק. קרדיט: מעבדת MRC למדעי הרפואה

פירוק מנגנון תיקון ה-DNA

החוקרים עבדו על מסלול תיקון DNA, המכונה מסלול אנמיה של Fanconi (FA), שזוהה לפני יותר מעשרים שנה. DNA ניזוק כל הזמן במהלך חיינו על ידי גורמים סביבתיים כולל אור UV מהשמש, שימוש באלכוהול, עישון, זיהום וחשיפה לכימיקלים. אחת הדרכים שבהן ה-DNA ניזוק היא כאשר הוא "מצולב", מה שעוצר את יכולתו לשכפל ולבטא גנים באופן נורמלי. על מנת לשכפל את עצמו ולקרוא ולבטא גנים, שני הגדילים של הסליל הכפול של ה-DNA צריכים תחילה לפתוח את הרוכסן לגדילים בודדים. כאשר DNA מקושר, ה"נוקלאוטידים" ("השלבים" בסולם הסליל הכפול של ה-DNA) של שני הגדילים נהפכים זה לזה, ומונעים את פתיחת הרוכסן הזו.

הצטברות של נזקי DNA כולל קישור צולב יכול להוביל לסרטן. מסלול ה-FA פעיל לאורך כל חיינו ומזהה את הנזקים הללו ומתקן אותם באופן שוטף. אנשים שיש להם מוטציות שהופכות את המסלול הזה לפחות יעיל הם הרבה יותר רגישים לסרטן. למרות שהחלבונים המעורבים במסלול ה-FA התגלו לפני זמן מה, נותרה תעלומה לגבי האופן שבו הם זיהו את ה-DNA המקושר והחלו בתהליך של תיקון ה-DNA.

הצוות מהמוסד האחות MRC LMS, LMB בקיימברידג', בראשות לורי פאסמור, זיהה בעבר שמתחם החלבון FANCD2-FANCI (D2-I), הפועל באחד השלבים הראשונים של מסלול ה-FA, נצמד אל DNA, ובכך מתחיל תיקון DNA בקשרים צולבים. עם זאת, נותרו שאלות מפתח: כיצד מזהה D2-I DNA מוצלב, ומדוע מורכב ה-D2-I מעורב גם בסוגים אחרים של נזק ל-DNA?

המחקר, שפורסם בכתב העת טֶבַעהשתמשו בשילוב של טכניקות מדעיות מתקדמות כדי להראות שהקומפלקס D2-I מחליק לאורך ה-DNA הדו-גדילי, עוקב אחר שלמותו, וגם דימיין באלגנטיות כיצד הוא מזהה היכן לעצור, ומאפשר לחלבונים לנוע ולהינעל יחד בשלב זה ליזום תיקון DNA.

טכניקות מתקדמות שופכות אור על אינטראקציות מולקולריות

ארתור קצ'מרצ'יק וקוראק ריי בקבוצת הדמיית מולקולה בודדת של דייוויד רואדה, שעבדו עם פבלו אלקון בקבוצה של לורי פאסמור, השתמשו בטכניקת מיקרוסקופיה מתקדמת המכונה "פינצטה אופטית בקורלציה והדמיית פלואורסצנציה" כדי לחקור כיצד D2-I גולש מורכב לאורך מולקולת DNA דו-גדילית.

באמצעות פינצטה אופטית, הם יכלו לתפוס מולקולת DNA בודדת בין שני חרוזים, מה שאפשר להם לתמרן במדויק את ה-DNA ולדגור אותו עם חלבונים נבחרים. באמצעות D2-I עם תווית פלואורסצנטית והדמיה של מולקולה אחת, הם צפו כיצד קומפלקסים D2-I בודדים נקשרים ל-DNA וגולשים לאורך ה-DNA, סורקים את הסליל הכפול. הם גילו שבמקום לזהות את הקשר בין שני גדילי ה-DNA ישירות, מהדק ה-FA מפסיק להחליק כשהוא מגיע לפער DNA חד-גדילי, אזור שבו חסר אחד משני גדילי ה-DNA.

הסרטון מציג את קומפלקס FANCD2-FANCI מהדק ל-DNA על מנת לתקן אותו. קרדיט: מעבדת MRC למדעי הרפואה, מעבדת MRC לביולוגיה מולקולרית

באמצעות מיקרוסקופ קריו-אלקטרונים, טכניקה רבת עוצמה שיכולה לדמיין חלבונים ברמה מולקולרית, החוקרים קבעו בשלב הבא את המבנים של קומפלקס D2-I הן במיקומו ההחלקה והן נעצרו במפגש בין DNA חד-גדילי לדו-גדילי. זה גילה שהמגעים D2-I יוצר עם צומת DNA חד-גדילי-דו-גדילי זה נבדלים מהמגעים שהוא יוצר עם DNA דו-גדילי בלבד. זה איפשר להם לזהות חלק מסוים של חלבון FANCD2, הנקרא "הליקס KR" שהם הראו בניסויי הדמיה של מולקולה אחת שהוא קריטי לזיהוי ועיכוב בפערי ה-DNA החד-גדילי.

בעבודה עם גיום גילבו וג'וליאן סייל בחטיבת ה-PNAC של ה-LMB, ועם תמוס ליוליוס ופאק קניפסייר במכון הוברכט, הולנד, הם הראו עוד שהיכולת של מתחם D2-I להיעצר בצמתים אלו באמצעות סליל KR היא קריטית לתיקון DNA. על ידי מסלול ה-FA.

כאשר DNA בדרך כלל משתכפל בתאים שלנו, הוא פותח את שני גדילי ה-DNA ומעתיק כל גדיל בודד. זה יוצר 'מזלג שכפול' שבו גדילי ה-DNA המקוריים מתפתלים ונוצר DNA דו-גדילי חדש על כל גדיל. עם זאת, כאשר המזלג הזה מגיע לקישור צולב של ה-DNA, לא ניתן לפתוח את הגדילים, מה שעוכב את תהליך שכפול ה-DNA הרגיל. מזלג שכפול שנתקע זה מכיל אפוא פערים חד-גדיליים חשופים שבהם ה-DNA נפרק אך לא שוכפל. מחקר זה הראה שקומפלקס החלבון D2-I נצמד בחוזקה לחיבורים אלו בין DNA חד-גדילי לדו-גדילי במזלג השכפול העצור.

השלכות על טיפול בסרטן ומעבר לכך

לא רק שזה מאפשר קומפלקס D2-I להביא חלבונים אחרים של מסלולי FA ל-DNA צולב כדי להתחיל תיקון, אלא שהוא גם מעגן את ה-DNA הדו-גדילי שנותר, ומגן על "מזלג השכפול" שנתקע מאנזימים בתא שילעסו. הקצה החשוף של גדיל ה-DNA ופגיעה נוספת ב-DNA. עבודה זו הראתה כי מבני ה-DNA בתוך מזלג השכפול נעצרים כתוצאה מ-DNA מוצלב, ולא ה-DNA המוצלב עצמו, שמפעיל את קומפלקס D2-I להפסיק להחליק ולהיצמד ל-DNA כדי להתחיל לְתַקֵן. מזלגות שכפול שנתקעו מופיעים בסוגים רבים של נזקי DNA, ומסבירים את התפקיד הרחב של קומפלקס D2-I בצורות אחרות של תיקון DNA וכן דרך מסלול ה-FA.

להבנת תהליך תיקון ה-DNA, וחשוב מכך, מדוע הוא נכשל, יש חשיבות עצומה שכן נזק ל-DNA הוא גורם מפתח במחלות רבות. באופן קריטי, תרופות רבות לסרטן, למשל, Cisplatin, פועלות על ידי גרימת נזק תאי כה חמור לתאי הסרטן עד שהם מפסיקים להתחלק ומתים. במקרים כאלה, מסלולי תיקון DNA – תהליך פיזיולוגי חיוני כל כך בחיים רגילים – יכולים להיחטף על ידי תאים סרטניים שמשתמשים בהם כדי להתנגד להשפעות של תרופות כימותרפיות. הבנת הבסיס המכניסטי של השלב הראשון במסלול תיקון ה-DNA עשויה להוביל לדרכים לרגישות לחולים כך שתרופות סרטן יוכלו להיות יעילות יותר בעתיד.

עבודה זו מומנה על ידי UKRI MRC, Wellcome Trust, מועצת המחקר האירופית וה-EMBO.