Молекула ДНК в клетках человека химически нестабильна, что вызывает ее повреждения различной природы. Существует целый ряд механизмов, обеспечивающих ответ на повреждения ДНК, который включает в себя процессы обнаружения повреждения ДНК, генерацию сигнала о повреждении и «починку» — так называемую репарацию — молекулы ДНК. В научном журнале PNAS была статья докторанта химического факультета МГУ Светланы Хороненковой, посвященная тому, как ДНК «чинит» сама себя и как связаны разрывы ДНК с генетическими заболеваниями. Теперь же группа исследователей из МГУ им. М.В. Ломоносова под руководством профессора Василия Студитского вместе со своими зарубежными коллегами открыла новый механизм починки ДНК. Этот механизм открывает новые перспективы для лечения и предупреждения нейродегенеративных заболеваний, например, болезни Альцгеймера, которая пока является неизлечимой.
«У высших организмов ДНК связана в комплексы с белками — нуклеосомы. На каждые 200 пар нуклеотидов приходится такой ДНК-белковый комплекс — нуклеосома, состоящая из 8 белков-гистонов, — на который, как нить на катушку, накручивается двойная спираль ДНК, свернутая в два сверхспиральных витка. Часть поверхности спирали ДНК спрятана, поскольку она взаимодействует с гистонами. Таким способом упакован весь наш геном, за исключением областей, с которых в данный момент считывается информация», — рассказывает доктор биологических наук Василий Студитский, ведущий научный сотрудник и руководитель лаборатории регуляции транскрипции и репликации биологического факультета МГУ.
Плотная упаковка позволяет нити длиной около двух метров умещаться в микроскопическом клеточном ядре, но делает значительные поверхности ДНК недоступными для ферментов репарации — белков, запускающих механизмы «починки» поврежденных участков. А повреждение ДНК ведет к накоплению мутаций, смерти клетки, а на уровне всего организма к различным заболеваниям, в том числе нейродегенеративным, например, болезни Альцгеймера.
Группа, которую возглавляет профессор Василий Студитский, изучала механизм узнавания ферментами одноцепочечных разрывов ДНК, при которых теряется связь между нуклеотидами одной из цепей, в местах, где ДНК связана с гистонами.
О репарации на активных участках ученые знают довольно много. Как известно, для синтеза белка генетический код — инструкция по его сборке, где тройки (триплеты) нуклеотидов соответствуют определенной аминокислоте, — должен быть вынесен из ядра в цитоплазму клетки. Тонкая и длинная нить ДНК упакована в ядре и может порваться при выходе наружу, а жертвовать ею нельзя: в клетке ядерная ДНК находится в единственном экземпляре.
Поэтому, когда нужно синтезировать определенный белок, ее небольшой участок раскручивается, две цепи размыкаются, и информация о структуре белка с одной из цепей ДНК перезаписывается на РНК, небольшую одноцепочечную молекулу. Молекула матричной (информационной) РНК, которая и становится указанием, как делать белок, синтезируется по принципу комплементарности: каждому нуклеотиду соответствует парный. Во время транскрипции (считывания) информации и переписывания ее на РНК фермент РНК-полимераза «едет» по цепи ДНК и, обнаружив разрыв, останавливается. Как корректор текста, РНК-полимераза, застопорив переписывание, запускает каскад реакций, в результате которого ферменты репарации исправляют поврежденный участок. В то же время РНК-полимераза не может обнаружить разрывы, присутствующие в другой цепи ДНК. «Мы доказали (пока еще не в клетке, а в пробирке, in vitro), что репарация разрывов в другой цепи ДНК, «спрятанных» в нуклеосоме, все-таки возможна. По нашему предположению, это происходит благодаря образованию специальных небольших петель ДНК на нуклеосоме, хотя в норме нить намотана на гистонную «катушку» очень плотно, — рассказал Василий Студитский. — Они возникают, когда ДНК накручивается обратно на нуклеосому вместе с полимеразой. РНК-полимераза может «ползти» по таким петлям ДНК, как и на свободном от гистонов участке, и, останавливаясь рядом с местами разрывов ДНК, «поднимать панику», запуская каскад реакций для начала «ремонтных работ». В ходе эксперимента в ДНК были введены участки, которые можно легко искусственно разорвать, добавляя в пробирку специальные ферменты. После этого создавалась система с одной нуклеосомой и транскрипцией с одной молекулой РНК. Благодаря разработанной в 2002 году этой же группой ученых модельной системе гистоны были посажены на молекулу с точностью до одного нуклеотида. Имея специально внесенные разрывы в точно определенных местах на ДНК, ученые исследовали влияние разрывов на скорость движения РНК-полимеразы.
Выяснилось, что именно в нуклеосомах, а не на свободной от гистонов ДНК фермент останавливался, когда разрыв присутствует в другой цепи ДНК. Причем останавливался он не перед разрывом, а сразу после него. Достаточно сложно было понять механизм, который позволяет ему замечать повреждение за «спиной», словно он имел «глаза на затылке», хотя, очевидно, он не имеет ни того ни другого.
Предполагаемая структура нуклеосомной петли ДНК, которая временно образуется при транскрипции хроматина, содержащего неповрежденную ДНК, РНК-полимеразой 2. В присутствии разрыва в цепи ДНК, структура петли, вероятно, изменяется, предотвращая вращение РНК-полимеразы вдоль спирали ДНК (оранжевая стрелка). Картинка: Надежда Герасимова
Анализ разрывов в различных положениях позволил выдвинуть гипотезу, что остановку движения РНК-полимеразы вызывает формирование петли, которая преграждает ей путь. Полученные данные открывают новое направление для работы по тематике репарации ДНК.
Ранее роль хроматина считалась пассивной: полагали, что только в развернутой нити ДНК могут происходить «ремонтные работы». Но Студитский и его коллеги выяснили, что ремонтировать нить можно и не разматывая «катушку» и высококонсервативные гистоны — изменения в их структуре отбраковываются естественным отбором — играют в этом важную роль.
А высокая консервативность белка как раз и предполагает его активное участие во многих процессах.
Кроме того, в предложенных в работе моделях ученые впервые объясняют роль так называемых топологических замков, которые образуются при прохождении любого фермента по ДНК в момент, когда он встречает нуклеосому.
«С точки зрения прикладной науки открытие нового механизма репарации обещает новые перспективные методы предотвращения и лечения заболеваний. Нами было показано, что в формировании петель, останавливающих полимеразу, участвуют ее контакты с гистонами. Если сделать их более прочными, то увеличатся эффективность формирования петель и вероятность репарации, что снизит риск заболеваний. Если же дестабилизировать эти контакты, то с помощью специальных способов доставки лекарства можно запрограммировать смерть пораженных клеток», — заключил Василий Студитский, добавив, что процесс разработки и тестирования таких лекарств, конечно, потребует много времени.
