《Nature Methods》光速下的DNA修复

Koen Martens的研究重点是了解人体DNA修复机制的速度和效率。他开发的TARDIS软件大大提高了研究这些过程对紫外线损伤的反应的能力。

　　

波恩大学的研究人员设计了一种加速观察高通量微生物过程的方法。

能够观察微生物及其细胞成分是理解细胞内部发生的基本过程的关键，从而有可能开发出新的医学治疗方法。来自波恩大学和瓦赫宁根大学的微生物学家和生物物理学家现在已经开发出一种方法，使观察分子的高通量过程快五倍，从而能够深入了解迄今未知的细胞功能。

DNA损伤与修复

如果我们的皮肤长时间暴露在紫外线下，比如来自太阳的紫外线，就会导致我们的DNA发生突变，这可能会导致癌症。然而，人体有一个防御机制，它可以部署。

波恩大学微生物学和生物技术研究所的Koen Martens解释说:“对DNA的损伤会激活分子，使其迅速修复，最好是在细胞分裂和损伤扩散之前。”然而，没有人确切地知道这种细胞修复功能的工作速度有多快，这正是Martens现在想要弄清楚的。

追踪DNA修复的挑战

然而，这说起来容易做起来难，因为迄今为止使用的方法还不够强大，无法准确地追踪单个分子。“单粒子跟踪包括用荧光灯标记分子，使其成为一种灯泡，”Martens解释说。“然后我们使用高分辨率显微镜每秒拍摄数百张照片。我们的“灯泡”照亮了细胞黑暗中的分子，使我们能够观察它并追踪它随时间的运动。这使我们能够测量它的扩散以及它如何与其他细胞成分相互作用。”

波恩大学微生物和生物技术研究所的Koen Martens博士正在研究他用于研究的定制超分辨率荧光显微镜。

通过观察分子之间的间隙和单个分子从一张照片到另一张照片的距离，研究人员可以判断这些粒子是在细胞内自由移动还是与其他分子相互作用。就DNA修复而言，这表明酶何时在进行修复工作，即。当它们与DNA相互作用时，当它们“空闲”时，即在细胞内自由扩散时。

然而，这种方法有一个缺点:“很难同时跟踪多个分子，”Martens解释说。“当它们的路径交叉或靠得太近时，实际上就会有两个灯泡合并。这样就不可能识别他们的行动了。”

因此，到目前为止，微生物学家不得不一个接一个地研究分子，这是一个耗时的过程，太过冗长，无法观察DNA修复分子的“工作原理”。事实上，单粒子跟踪目前比修复过程本身需要更长的时间。

分子研究进展

为了解决这个问题，Koen Martens开发了一款软件来加速高通量的过程。TARDIS(“相对距离的时间分析”的缩写)对位置之间的距离进行全对全的分析，即分子在单个照片中的位置，随着时间滞后的增加。它不再像以前那样专注于单个点，而是着眼于细胞内的整个运动序列，从而同时仔细检查所有分子。“TARDIS使测量过程至少快了五倍，而且没有任何信息丢失，”Martens高兴地说。

这意味着他现在可以把注意力集中在他研究项目的剩余部分，使用TARDIS更详细地研究DNA修复的过程。“我特别感兴趣的是研究某些类型的损伤修复的难易程度，以及特定剂量的紫外线辐射或化学物质对DNA的破坏程度。”

参考文献:Temporal analysis of relative distances (TARDIS) is a robust, parameter-free alternative to single-particle tracking” by Koen J. A. Martens, Bartosz Turkowyd, Johannes Hohlbein and Ulrike Endesfelder, 15 January 2024, Nature Methods.