Bagiamana Proses Perbaikan DNA yang Rusak?

Sistem filamen yang rumit, dinamika tetesan cairan, dan konektor protein memungkinkan perbaikan beberapa DNA yang rusak di dalam inti sel, demikian temuan para peneliti. Temuan lebih lanjut menantang keyakinan bahwa DNA yang rusak mengapung tanpa tujuan – dan menyoroti nilai penelitian lintas disiplin dalam biologi dan fisika.

Perbaikan DNA membantu memastikan stabilitas genom, yang pada gilirannya memungkinkan sel berfungsi dan meningkatkan kesehatan di semua organisme. Kerusakan DNA untai ganda sangat beracun bagi sel, dan para peneliti telah mengasumsikan selama beberapa dekade bahwa keretakan ini melayang di dalam inti sel tanpa arah, sampai mereka memicu perubahan seluler lain atau terjadi pada mekanisme fixer. Pemikiran itu mulai berubah pada tahun 2015, ketika Karim Mekhail dan labnya menunjukkan bahwa DNA yang rusak dapat dengan sengaja diangkut oleh protein motor ‘ambulans’ ke rumah sakit DNA, area yang diperkaya dengan faktor perbaikan tertentu dalam inti. Para peneliti kemudian bekerja dengan insinyur ruang angkasa U untuk menunjukkan bahwa setelah satu untai ganda, DNA bergerak untuk perbaikan melalui ‘autobahn’ panjang dari mikrotubulus seperti benang, yang juga bergerak.

Dalam studi saat ini, Mekhail dan penulis utama Roxanne Oshidari melihat sel-sel ragi dengan banyak DNA double-strand break, dan menunjukkan bahwa koordinasi antara jenis-jenis filamen mikrotubulus yang lebih pendek dan tetesan seperti cairan yang terdiri dari protein perbaikan DNA memungkinkan penciptaan dan fungsi suatu Pusat perbaikan DNA. “Tetesan cairan bekerja dengan mikrotubulus intranuklear untuk mempromosikan pengelompokan situs DNA yang rusak,” kata Mekhail, seorang profesor kedokteran laboratorium dan patobiologi di U of T. “Perbaikan protein di situs yang berbeda ini berkumpul dalam tetesan yang bergabung menjadi perbaikan yang lebih besar – Tetesan pusat, melalui aksi mikrotubulus nuklir yang lebih pendek. ” Tetesan mirip minyak yang lebih besar ini kemudian berperilaku seperti laba-laba, kata Mekhail, menembakkan jaring filamen berbentuk bintang yang mengikat ke autobahn yang lebih panjang di mana DNA yang rusak dapat diangkut ke rumah sakit DNA.

Temuan ini telah diterbitka dalam Jurnal Nature Communications. Mekhail menoleh ke Nasser Ashgriz, seorang profesor di departemen teknik mesin dan industri U, untuk mengukur dan memahami peran tetesan dalam proses perbaikan. “Anda tidak bisa meminta keahlian yang lebih baik dalam dinamika fluida, dan dia berada tepat di seberang jalan,” kata Mekhail tentang Ashgriz, yang menjalankan lab sistem aliran dan semprotan multi-fase U T. Mekhail membawa video tetesan ke Ashgriz, yang memproyeksikannya di layar besar di kantornya dan mengkonfirmasi bahwa dinamika fluida tampaknya berperan. Tetapi komunikasi lintas biologi-fisika sangat menantang.

“Memahami apa yang mereka lakukan pada awalnya sangat sulit karena terminologi kami sangat berbeda,” kata Ashgriz. Namun, ketika dia dan Mekhail menggunakan bahasa sederhana untuk menggambarkan bagaimana tetesan-tetesan itu bertingkah, hal-hal mulai masuk akal. “Kami fokus pada aspek fisik tetesan,” kata Ashgriz. “Fisika yang menyebabkan gerak dan dinamika mereka menjadi bahasa kita bersama.”

Setelah berbulan-bulan berbicara dan bereksperimen, simulasi komputer berulang kali meramalkan bahwa filamen yang lebih pendek akan bergerak seperti piston, menurunkan tekanan pada nukleoplasma dan menciptakan efek pengisapan yang mengarah pada fusi tetesan. Mekhail dan timnya mengkonfirmasi temuan itu di lab mereka.

“Seringkali ketika kita menyelam jauh ke dalam kekhasan bidang tertentu, kita terpisah satu sama lain,” kata Ashgriz. 

Menyatukan orang-orang dengan pandangan berbeda dapat benar-benar meningkatkan pemahaman, dan pekerjaan ini adalah contoh yang baik – dengan penghargaan kepada Karim untuk visi dan inisiatifnya.”

Mekhail dan timnya juga menemukan properti penting lebih lanjut dari tetesan perbaikan dengan profesor U of T Hyun Kate Lee dan Haley Wyatt di departemen biokimia, dalam prosesnya Mekhail menyamakan bermain dengan mainan. Mereka mengairi tetesan melalui banyak tes, memantulkan mereka terhadap satu sama lain dan mengamati perilaku mereka, yang ternyata sangat mirip di cawan petri dan dalam sel. Temuan paling mengejutkan datang setelah beberapa siklus fusi tetesan, para peneliti menemukan. “Itu sangat aneh dan sama sekali tidak terduga, saya masih ingat hari itu,” kata Mekhail.

Oshidari mengamati bahwa tetesan yang lebih besar memulai konsentrasi internal dari blok bangunan filamen, memaksa penciptaan semacam jalan bata yang saling mengunci, yang bersama-sama dengan jaring laba-laba memungkinkan DNA untuk terhubung ke filamen autobahn yang lebih panjang.

Proses kompleks ini mudah dilewatkan ketika melihat situs-situs kerusakan DNA, kata Mekhail, sebagian besar karena pencitraan di lapangan menjadi sangat otomatis. Sebagian besar perangkat lunak telah diatur untuk melihat apa yang telah dilihat. “Kita tidak bisa mengandalkan cara lama mengamati,” katanya. “Kita perlu memperbarui perangkat lunak kita dan juga kembali melihat dengan mata manusia, dipandu oleh simulasi ketika dibutuhkan.”

Refrensi jurnal:

• Roxanne Oshidari, Richard Huang, Maryam Medghalchi, Elizabeth Y. W. Tse, Nasser Ashgriz, Hyun O. Lee, Haley Wyatt, Karim Mekhail. DNA repair by Rad52 liquid droplets. Nature Communications, 2020; 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-14546-z