寻找蛋白质：科学家使用新的光镊子技术来研究DNA修复

匹兹堡大学的研究人员开发了一种新的系统，可以极大地提高DNA修复蛋白如何识别和结合DNA损伤的可视化。

　　

   

   

分子光秀:一条被紫外线损伤的DNA链被串在C-trap的两个珠子之间。这段加速视频显示了DNA修复蛋白DDB1(蓝色)和DDB2(红色)在大约12分钟内分别或一起与损伤部位结合和解结合(紫色)。

藏在UPMC希尔曼癌症中心一间小而暗的房间里，Brittani Schnable正在进行一次钓鱼探险。

她挥舞着一根类似于电子游戏玩家使用的操纵杆，将微小的珠子扔进分子的海洋中，推动和拉动珠子，直到它们最终抓住一条DNA链。敲击键盘几下后，灯光秀就开始了。一阵色彩在黑色的屏幕上闪烁，就像烟花在夜空中爆炸一样。

虽然这些颜色一开始看起来是随机的，但一种模式开始出现。蓝色和红色的线条划过屏幕:DNA修复蛋白已经与受损部位结合。

Schnable是匹兹堡大学Bennett Van Houten博士实验室的博士生，他正在使用一种被称为C-trap的尖端技术，该技术可以操纵DNA的单个分子和一种新方法（本周在《核酸研究》中描述了这种新方法），允许快速简便地生产用于单分子可视化的蛋白质。这个新颖的系统为Van Houten和他的团队提供了无与伦比的细节水平，这将帮助他们探索细胞如何发现和修复受损的DNA，这些信息有一天可能被用来阻止癌症的发展。

“我喜欢把DNA损伤想象成一个坑洞，”皮特大学药理学和化学生物学系教授Van Houten博士说。“在一个特定的DNA修复途径中，从发现坑洞到植入修复补丁需要大约30种蛋白质。虽然我们不能一次观察到所有这些蛋白质，但我们可以两个两个地观察它们。”

Van Houten的实验室对修复DNA损伤的蛋白质很感兴趣，这些损伤是由环境因素引起的，比如来自太阳的紫外线辐射和环境污染物。如果这些修复途径被破坏，DNA损伤就会导致衰老、癌症、神经退行性变和其他疾病。

在这项新研究中，研究人员使用C-trap来研究不同的DNA修复蛋白是如何识别并结合到各自形式的损伤上的。

C-trap系统采用了获得诺贝尔奖的光学镊子技术，这种技术使用一束强光抓住并移动微小的珠子，直到它们粘在分子的两侧——在这种情况下是一条受损的DNA链。

“你可以把两个珠子放在一起，希望两个DNA末端像魔术贴一样固定在每个珠子上。当你把珠子进一步分开时，你实际上可以感觉到DNA的力量，就像弹簧或橡皮筋一样”。

一旦DNA诱饵设置好了，就该去钓蛋白质了。

Van Houten小组与肯特大学的研究人员合作，开发了一种新方法，称为核提取物中dna结合蛋白的单分子分析(SMADNE)。这种技术使用户能够比传统方法更快更容易地创建荧光标记蛋白质。利用SMADNE，研究人员从细胞核中提取DNA修复蛋白。然后，他们将这些蛋白质引入C-trap，并分析它们如何以及何时与含有各种类型损伤的DNA结合。

Schaich对两种特殊的修复蛋白DDB1和DDB2之间的关系很感兴趣，DDB1和DDB2帮助修复由太阳造成的损伤，Schaich观察这些蛋白质像彩色光的斑点一样在DNA上蹦来蹦去，并研究它们接近紫外线损伤部位和从紫外线损伤部位撤离的方式。

Schaich解释说:“你有一个DNA损伤区域，你想知道细胞是如何识别和修复它的。”“要了解的最重要的事情之一是谁先到达那里。一旦它到达，它会在整个修复过程中停留吗?它会把修复过程交给不同的蛋白质吗?有了C-trap，你可以观察蛋白质的来去，并了解很多关于组装和拆卸的顺序。”

Van Houten认为DNA修复蛋白就像人们在酒吧社交一样。

“两个人走进一家酒吧。谁先穿过这扇门?他们在酒吧一起坐多久，然后谁先离开酒吧?DNA修复蛋白，就像人一样，是动态的。”

研究人员发现，正如预期的那样，当DDB1和DDB2一起在损伤部位工作时，它们通常一起到达DNA并一起离开。然而，令人惊讶的是，他们还发现了两种蛋白质在不同时间到达和离开的11种不同的关联和解离模式，突出了科学家使用这项新技术可以观察到的令人难以置信的细节。

除了DDB1和DDB2, Van Houten的团队还使用C-trap和SMADNE研究了来自几种不同修复途径的大量DNA修复蛋白的活动，以提高对这些修复系统的理解。

通过了解我们的DNA修复过程是如何工作的，科学家们可以更好地理解这些通路的中断是如何导致癌症等疾病的，并推动对更好治疗方法的研究。

“DNA修复是一把双刃剑，”Van Houten解释道。“如果你没有有效的修复，环境压力可能会造成足够的损害，从而导致癌症的发展。另一方面，许多癌症治疗是通过靶向DNA修复机制来杀死肿瘤的。”

Van Houten和他的团队已经为他们的SMADNE系统申请了专利，并将继续分析这种紫外线损伤修复途径中的所有30种蛋白质。

“C-trap和SMADNE的结合为DNA修复的研究提供了无限的机会。但是我们用这个新工具能回答的最重要的问题是什么呢? 对我来说，它是知道每个蛋白质在这一途径中的确切作用。”

文章标题

Single-molecule analysis of DNA-binding proteins from nuclear extracts (SMADNE)