Uppsalaforskare löser knivigt biologiskt sökproblem

Hur cellen kan reparera en trasig kromosom genom att använda en annan dna-kopia som mall har förbryllat forskare i åratal. Hur är det möjligt att hitta rätt sekvenser i cellens myllrande innandöme? Forskare från Uppsala universitet har nu kommit fram till lösningen: det är lättare att hitta ett rep än en boll om man har ögonbindel.

När en dna-molekyl bryts i två är det bråttom. Ur en bakteries perspektiv är det en fråga om liv eller död att laga brottet snabbt, men att reparera dna utan att införa misstag i sekvensen är utmanande; reparationsmaskineriet behöver hitta en mall. Att reparera trasigt dna med hjälp av en mall från en systerkromosom kallas homolog rekombination och processen är väl dokumenterad i litteraturen. Beskrivningen bortser dock vanligtvis från den till synes oöverstigliga uppgiften att hitta rätt mall bland allt dna. Kromosomen är en komplex struktur med flera miljoner baspar av genetisk kod och det är uppenbart att det inte kan gå tillnärmelsevis tillräckligt snabbt att söka slumpmässigt i tre dimensioner. Men hur går det då till? Detta har förbryllar forskarna i fältet i 50 år. Tidigare studier har visat att molekylen RecA är viktig för sökprocessen, men fram till nu har vår förståelse slutat där.

Nu har en grupp Uppsalaforskare under ledning av professor Johan Elf äntligen hittat lösningen på detta sökmysterium. I en studie som nu publiceras i Nature använder de en CRISPR-baserad teknik för att göra kontrollerade dna-brott i bakterier. Genom att odla cellerna i en mikrofluidiskt odlingskammare och spåra inmärkta RecA-molekyler med fluorescensmikroskopi kan forskarna skapa en bild av reparationsprocessen från början till slut.

– Det mikrofluidiska odlingschippet gör att vi kan följa tusentals enskilda bakterier samtidigt och bestämma precis när vi vill att CRISPR ska inducera ett dna-brott. Det är väldigt exakt, nästan som att ha en liten dna-sax, säger Jakub Wiktor, en av forskarna bakom studien.

Markören på RecA tillsammans med fluorescerande molekyler på dna:t låter forskarna följa varje steg i processen; de kan se att hela reparationen i genomsnitt tar 15 minuter för cellen att genomföra och att mallen vanligtvis lokaliseras efter ungefär nio minuter. Med hjälp av mikroskopi undersöker Elf och hans team hur dna-brottet och dess kopia rör sig i cellen i realtid. De finner att cellen svarar på en dna-skada genom att producera långa tunna trådar av RecA som sträcker sig genom hela cellen.

– Vi kan se hur det bildas ett tunt, flexibelt RecA-band som sträcker sig ut från dna-brottet strax efter skadan. Eftersom de avbrutna dna-ändarna bakas in i den här strukturen är det tillräckligt att någon del av bandet hittar den eftertraktade mallen och därmed blir det tredimensionella sökproblemet ett 2D-problem. Vår modell tyder på att detta är nyckeln till snabb och framgångsrik homolog reparation, säger Arvid Gynnå, som har arbetat med projektet under sina doktorandstudier.

Att gå från ett 3D problem till ett 2D problem är verkligen en avsevärd förbättring när det gäller sannolikheten att hitta den homologa sekvensen tillräckligt snabbt, eller faktiskt över huvud taget. Som den japanska matematikern Shizuo Kakutani uttryckte det: "En berusad man kommer att hitta hem, men en berusad fågel kan gå vilse för alltid". Med dessa ord försökte han förklara ett märkligt faktum; ett objekt som utforskar en tvådimensionell yta slumpmässigt kommer förr eller senare att hitta tillbaka till utgångspunkten, men i ett tredimensionellt utrymme är det sannolikt att aldrig återvända "hem".

Uppsalaforskarna genomförde sin studie i modellorganismen E. coli, men reparationsprocessen är nästan identisk för högre organismer som vi själva, eller duvor för den delen. Dna-skador förekommer ofta i våra kroppar, och utan förmågan att reparera trasigt dna skulle vi vara extremt sårbara för till exempel UV-ljus och reaktiva syreradikaler, samt vara mer benägna att utveckla cancer. Faktum är att de flesta onkogener är är inblandade i dna-reparation och de nya insikterna kan hjälpa oss att förstå varför tumörer bildas.

Wiktor et al (2021) ’RecA finds homologous DNA by reduced dimensionality search’, Nature, DOI: 10.1038/s41586-021-03877-6

För mer information, kontakta:

Johan Elf, institutionen för cell- och molekylärbiologi vid Uppsala universitet, tel. 018-471 4678, 070-9803135 e-post: Johan.Elf@icm.uu.se