Ein neuartiger Biosensor zur Erkennung von DNA-Schäden in Echtzeit

Doppelstrangbrüche (DSBs) sind eine Art von DNA-Schädigung, bei der beide DNA-Stränge an derselben Stelle brechen. Sie können das Zellwachstum und die Zellfunktion beeinträchtigen. Derzeit werden DSBs durch Immunfärbungstechniken nachgewiesen, die Marker identifizieren, die mit DNA-Schäden einhergehen, wie z. B. das Protein γH2AX. Diese Methoden sind jedoch langwierig und können nicht verwendet werden, um DSBs in lebenden Proben in Echtzeit zu erkennen.

In einer Studie aus dem Jahr 2023, veröffentlicht in Biomaterialforschungbeschreiben Forscher einen Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfer (FRET)-Biosensor, der DSBs in Echtzeit erkennen und zeit- und ortsbasierte Informationen über yH2AX liefern kann. „Der von uns entwickelte Biosensor könnte in Bereichen wie der Krebsbehandlung und der Arzneimittelforschung nützlich sein“, sagt außerordentlicher Professor Tae-Jin Kim von der Pusan ​​National University, Korea, der die Studie leitete.

FRET-Sensoren bestehen aus zwei fluoreszierenden Proteinen oder Farbstoffen – einem Donor und einem Akzeptor – die Wechselwirkungen zwischen biologischen Molekülen untersuchen. Die Energieübertragung und folglich die Menge des emittierten Lichts (das FRET-Signal) hängt vom Abstand und der Ausrichtung zwischen den beiden Farbstoffen ab.

Die Forscher verknüpften die Fluoreszenzfarbstoffe mit Proteinen, die an der zellulären Reaktion auf DNA-Schäden beteiligt sind, nämlich dem H2AX-Substrat und der BRCT1-Domäne. Das H2AX-Substrat ist ein Ziel für das H2AX-Protein, um zu binden und phosphoryliert zu werden (Bildung von γH2AX).

Andererseits fungiert die BRCT1-Domäne als Ort für die Akkumulation von Reparaturproteinen, einschließlich γH2AX. Wenn also ein DSB auftritt, wird γH2AX von der BRCT1-Domäne angezogen, was zu einer Konformationsänderung der fluoreszierenden Proteine ​​führt, wodurch eine Änderung des FRET-Signals verursacht wird.

Die Forscher bestätigten dann die Gültigkeit des Sensors, indem sie Plasmide (DNA, die hier Anweisungen zur Herstellung des FRET-Sensors in den Zellen enthalten), die den FRET-Sensor codieren, in menschliche embryonale Nierenzellen (HEK293T) einführten. Im Vergleich zu herkömmlichen Immunfärbungstechniken reagierte dieser Biosensor empfindlicher auf das Vorhandensein von γH2AX, wodurch er wirksamer beim Nachweis von durch Medikamente und Strahlung induzierten DSBs wurde.

„Da Änderungen im FRET-Signal nützliche Hinweise auf das Ausmaß der DNA-Schädigung geben, kann der Sensor außerdem dazu verwendet werden, DNA-Schäden und -Reparaturmechanismen zu untersuchen, Krebsbehandlungen zu optimieren, DNA-Reparaturmedikamente zu entdecken und zu bewerten und DNA-schädigende Faktoren zu identifizieren in der Umwelt“, schließt außerordentlicher Prof. Kim.