DNA-schade live te volgen met nieuwe ‘sensor’

Kankeronderzoek, medicijnveiligheid en verouderingsonderzoek kunnen in een stroomversnelling raken dankzij een nieuwe fluorescerende 'sensor' die is ontwikkeld aan de Universiteit Utrecht. Met dit hulpmiddel kunnen wetenschappers voor het eerst zien hoe DNA-schade en -herstel zich in real time afspelen in levende cellen. Het maakt de weg vrij voor experimenten die eerder niet mogelijk waren. De ontdekking is vandaag gepubliceerd in het vakblad Nature Communications.

Het DNA in onze cellen raakt voortdurend beschadigd door zonlicht, chemische stoffen, straling of simpelweg door de vele processen die ons lichaam draaiende houden. Meestal herstelt de cel die schade snel en efficiënt. Maar als dat herstel niet goed lukt, kan dat grote gevolgen hebben. Dit speelt een grote rol bij veroudering, kanker en andere ziekten.

Tot nu toe is het voor onderzoekers erg omslachtig om dat herstelproces goed te volgen. Onderzoekers kunnen alleen een momentopname maken van wat er in een cel gebeurt, en niet wat er daarna nog plaatsvindt. Om een beeld te krijgen van wat er door de tijd heen gebeurt in een cel, moeten ze voor elk tijdstip een cel doden en als het ware fixeren.

DNA-schadesensor

Onderzoekers van de Universiteit Utrecht hebben nu een manier ontwikkeld om onderzoek naar DNA-schade enorm te versnellen. Ze maakten een DNA-schadesensor waarmee je kunt volgen hoe schade ontstaat en weer verdwijnt in levende cellen en zelfs in levende organismen. De ontdekking maakt experimenten mogelijk die eerder ondenkbaar waren.

Hoogleraar Tuncay Baubec, die het onderzoek leidde, omschrijft de innovatie als een manier om in de cel te kijken “zonder de cel te verstoren”. Bestaande technieken zijn vaak gebaseerd op antistoffen of zogeheten nanobodies, die binden te sterk aan beschadigd DNA. Zodra ze vastzitten, kunnen ze het eigen reparatiesysteem van de cel in de weg gaan zitten. Daarmee krijgt een onderzoeker dus geen goed beeld van er nu echt gebeurt. 

“Onze sensor is echt anders,” zegt Baubec. “Hij is opgebouwd uit onderdelen van een natuurlijk eiwit dat de cel zelf al gebruikt. De sensor komt vanzelf naar de plek van de schade en laat die ook weer los. Daardoor zien we hoe de cel zich daadwerkelijk gedraagt, en niet een momentopname.”

“Het gaat gewoon lukken”

De sensor werkt doordat er een fluorescerend label wordt gekoppeld aan een specifiek stukje van een eiwit in de cel. Dat stukje bindt kort aan een marker die verschijnt op beschadigd DNA. Omdat die binding zwak en tijdelijk is, licht de schade wel op, maar wordt het reparatieproces niet gehinderd.

Bioloog Richard Cardoso da Silva, die de sensor ontwierp en testte, weet nog precies wanneer hij doorhad dat ze iets bijzonders in handen hadden. “Ik testte een aantal medicijnen en zag dat de sensor oplichtte op precies dezelfde plekken als commerciële antistoffen,” vertelt hij. “Dat was het moment waarop ik dacht: het gaat gewoon lukken!”

Een realistischer beeld

Het verschil met eerdere methoden is groot. In plaats van tien afzonderlijke experimenten te moeten doen voor tien tijdstippen, kunnen onderzoekers nu het hele reparatieproces volgen in één doorlopende ‘film’. Ze zien wanneer schade ontstaat, hoe snel reparatie-eiwitten arriveren en wanneer de cel het probleem heeft opgelost.

Je krijgt meer gegevens, een hogere resolutie en een veel realistischer beeld van wat er in een levende cel gebeurt

“Je krijgt meer gegevens, een hogere resolutie en, misschien wel het belangrijkst, een veel realistischer beeld van wat er in een levende cel gebeurt,” zegt Cardoso da Silva.

Van cellen in het lab naar levende organismen

Het team keek ook verder dan cellen in een kweekschaaltje. Samen met collega’s aan de Universiteit Utrecht testten ze het eiwit ook in de worm C. elegans, een veelgebruikt modelorganisme in de biologie. De sensor werkte daar net zo goed en maakte DNA-schade zichtbaar die ontstaat tijdens de ontwikkeling van de worm. Voor Baubec was dat een belangrijk moment. “Daardoor wisten we zeker dat onze methode niet alleen geschikt is voor cellen in het lab, maar ook inzetbaar is in echte levende organismen.”

Wat beïnvloedt DNA-reparatie?

De mogelijkheden gaan inmiddels veel verder dan alleen meekijken met DNA-reparatie. De sensor kan worden gekoppeld aan andere moleculaire onderdelen in de cel. Daardoor kunnen onderzoekers in kaart brengen waar in het genoom DNA-schade optreedt en welke eiwitten zich rond zo’n beschadigde plek ophouden. Ze kunnen beschadigd DNA zelfs verplaatsen naar andere plekken in de celkern om te zien welke omstandigheden het herstel beïnvloeden. “Afhankelijk van je creativiteit en je onderzoeksvraag kun je dit hulpmiddel op heel veel manieren inzetten,” zegt Cardoso da Silva.

Nauwkeuriger medisch onderzoek

De sensor kan zelf geen DNA-schade repareren en is dus geen geneesmiddel, maar kan wel gevolgen hebben voor medisch onderzoek. Veel kankertherapieën werken bijvoorbeeld juist door bewust DNA van tumorcellen te beschadigen. In de vroege fases van medicijnontwikkeling moeten onderzoekers heel precies meten hoeveel DNA-schade zo'n nieuw middel veroorzaakt.

Ons techniek kan het testen van kankergeneesmiddelen goedkoper, sneller en nauwkeuriger maken.

“Op dit moment gebruiken klinische onderzoekers daar vaak antistoffen voor,” zegt Baubec. “Ons hulpmiddel kan die tests goedkoper, sneller en nauwkeuriger maken.” De onderzoekers zien ook mogelijkheden in de praktijk, bijvoorbeeld voor studies naar natuurlijke veroudering of het opsporen van blootstelling aan straling of mutagene stoffen.

Voor iedereen beschikbaar

De nieuwe sensor heeft nu al de aandacht getrokken. Andere laboratoria namen nog vóór publicatie contact op omdat ze het hulpmiddel graag wilden gebruiken in hun eigen DNA-reparatieonderzoek. Om dat te ondersteunen heeft het team de sensor vrij beschikbaar gemaakt. Baubec: “Alles staat online. Onderzoekers kunnen er meteen mee aan de slag.”