За час, що минув з моменту оголошення цьогорічних лауреатів Нобелівської премії з хімії, біологи встигли знайти новий ДНК-репаріюючий фермент, дізнатися, як білки шукають неправильні пари нуклеотидів у ДНК, і побачити, як рухається пошкоджена ДНК у клітинах людини.
Шостого жовтня ми дізналися про те, хто в нинішньому році став лауреатом Нобелівської премії з хімії, і поспішили повідомити про це наших читачів. Нагадаємо, що премію присудили за дослідження в галузі репарації ДНК.
У нашій молекулі спадковості нерідко трапляються дефекти, які можуть самим неприємним чином позначитися на стані організму: ДНК може просто порватися одним або відразу двома ланцюжками, і тоді його просто потрібно зшити назад, проте бувають і більш хитромудрі пошкодження, пов'язані з модифікацією букв генетичного коду - нуклеотидів, або ж із заміною правильних нуклеотидів на неправильні, що спотворюють сенс записаної в ДНК інформації. Ось для виправлення таких модифікацій і неналежних замін існують спеціальні системи ферментів, і саме за розшифровку того, як вони працюють, Томас Ліндаль, Азіз Санджар і Пол Модріч отримають 10 грудня свою нобелівську нагороду.
Два місяці з моменту оголошення лауреатів і до церемонії нагородження - з одного боку, термін невеликий, але тільки якщо не знати, що нового ми дізналися за цей час про репарацію ДНК. А дізналися ми досить багато. Наприклад, людська ДНК в районі двозчіпкових розривів починає активно дергатися, звиватися, загалом, у неї помітно збільшується рухливість, ніби молекула спеціально розмахує кінцями, що раптово утворилися. До недавнього часу таку «танцюючу ДНК» спостерігали в різних інших клітинах, і ось нарешті те ж саме побачили і в людських.
Більш того, команда з Рокфеллерівського інституту, що опублікувала своє відкриття в Cell, заодно визначила і ті внутрішньоклітинні структури, які збільшують рухливість ДНК - ними виявилися білкові комплекси оболонки ядра і сполучені з ними мікротрубочки цитоплазми. (Мікротрубочками називають довгі паличкоподібні структури, складені з безлічі білкових молекул і грають роль клітинного скелета.) Тобто ДНК, у якої сталися розриви в обох ланцюгах, починає мельтешити під дією складного білкового апарату, причому це необхідно для того, щоб ремонт пройшов вдало - вважається, що якщо ДНК в місці розриву буде активно рухатися, то репаріюючим ферментам буде простіше знайти і з'єднати розірвані кінці.
Що до самого механізму зашивання розривів, то біологи продовжують уточнювати. Наприклад, у статті в Nature Cell Biology дослідники з Університету Альберти описують поведінку білка RNF138, чиє завдання - зняти інший білок, Ku, з кінців ДНК, що утворилися. Ku служить їм чимось на зразок заглушки, але в його присутності ліквідувати розрив не можна, тому і потрібен RNF138, про який поки що відомо не дуже багато.
Якщо ж говорити про власне «нобелівські» механізми репарації ДНК, то тут варто згадати роботу біологів з Університету Вандербільта, які виявили ще один білок, що бере участь у так званій ексцизійній репарації шляхом видалення пошкоджених підстав. Коли в ДНК з'являється модифікований нуклеотид, у справу вступають ферменти глікозилази, які відщеплюють від нуклеотиду пошкоджену азотисту основу (нагадаємо про всяк випадок, що нуклеотид - це триприватна молекула, що складається з залишку фосфорної кислоти, цукру дезоксирибози і однієї з чотирьох азотистих підстав; до складу ДНК входять 4 підстави, аденін, тимін, гуанін і цитозин, і саме вони і є ті самі 4 літери генетичного коду).
Механізм ексцизійної репарації підстав усуває цілий клас пошкоджень, і тому глікозилаз (перші з яких описав нинішній лауреат Томас Ліндаль) існує не одна і не дві. Однак фермент, який описаний в Nature, відрізняється від усіх інших своїх «колег». Зазвичай глікозилази, знайшовши пошкоджену основу, відривають його від його партнера в іншому ланцюгу і викручують його з подвійної спіралі назовні, і ось така стирча назовні основа хімічно відщеплюється від ДНК. Нова глікозилаза, названа AlkD, усуває алкільовані підстави (тобто такі, до яких приєдналася вуглеводнева хімічна група), проте вона не повертає модифіковану основу назовні (див. малюнок), і сама пошкоджена ділянка розпізнає не безпосередньо, а за непрямими ознаками, і має справу з більш об'ємними модифікаціями, ніж інші родинні ферменти.
Для того, щоб виправити будь-яке пошкодження в ДНК, потрібно його спочатку знайти. А це завдання непросте, враховуючи мільйони і мільярди «букв», з яких складаються геноми живих істот. Очевидно, у білків, що займаються ремонтом ДНК, повинні бути якісь особливі стратегії пошуку - наприклад, репаріююча система може з більшою ретельністю стежити за тією ділянкою геному, де ймовірність мутацій найбільш висока. Найпростіше реалізувати таку стратегію ферментам місметч-репарації, механізмом якої займався Пол Модрич.
Місметч-репарація виправляє помилки, які залишає після себе апарат реплікації, тобто подвоєння ДНК. Як відомо, генетичні «літери» - підстави розташовуються один навпроти одного в двох ланцюгах ДНК аж ніяк не випадково, а згідно з правилом комплементарності: аденін стоїть навпроти тиміну, гуанін навпроти цитозину. При подвоєнні ДНК ланцюги старої молекули розділяються, і на кожній з них синтезується новий - дочірній - ланцюг, так щоб її нуклеотиди були комплементарні нуклеотидам старого, материнського ланцюга. Але буває, що ферменти, що синтезують нові ланцюги, помиляються, і ставлять в новий ланцюг зовсім не ту «букву», яка там потрібна - трапляється mismatch, або неспівпадіння. Так відбувається порівняно рідко - один раз на 30-60 млн підстав - але мутація є мутація, і її потрібно виправити.
Впізнаванням неправильно спарених нуклеотидів займається білок MutS, і, як показали експерименти дослідницької групи з Мічиганського університету, MutS зовсім не сканує терпляче всі підстави в ДНК, а швидко проскакує їх велику частину, поки не дійде до того місця, де відбувається власне реплікація, і тут його хід сильно сповається - білок починає шукати погані нуклеотині пареотині пари. Стратегія, загалом, очевидна, але експериментальне підтвердження того, що все саме так і відбувається, вдалося отримати тільки зараз. Експерименти, описані в Proceedings of the National Academy of Sciences, проводили на бактеріях, проте автори роботи вважають, що у людини пошук невірних нуклеотидних пар йде точно так само - система місметч-репарації в живому світі досить консервативна.
Білки, які ремонтують ДНК, існують не самі по собі, в клітці у них є безліч «помічників», і «помічники» ці досі відомі не всі. Наприклад, дослідники з Копенгагенського університету опублікували нещодавно в Nature статтю, в якій розповідають про те, як ремонту ДНК допомагає гістон H1. Насправді, кому тут і не бути помічниками, якщо не гістонам, спеціальним білкам-пакувальникам, постійно пов'язаним з клітинною ДНК і визначальним просторову структуру і активність тих чи інших її ділянок. Пошкодження в ній гістони повинні відчувати одними з перших. Дійсно, коли в ДНК з'являється багато розривів, вони посилають сигнал тривоги, але саме про конкретний білок H1 тут до останнього часу нічого не було відомо.
Варто також сказати, кому гістони повідомляють відомості про поганий стан генетичної молекули: серед їх «кореспондентів» - легендарний білок p53, «страж геному», як його іноді називають. Коли в ДНК виникають пошкодження, він гальмує поділ і понуждає репаріюючі системи виправити все, що потрібно; якщо ж пошкоджень дуже багато, він запускає програму апоптозу, клітинного самогубства, щоб клітина, чого доброго, через мутації не перетворилася на ракову. Коли щось не те з самим p53, великий ризик розвитку пухлини, і дійсно, маса онкологічних хвороб виникає через неправильну роботу або відсутність p53.
Не цілком ясно поки, як самі ракові клітини примудряються впоратися з пошкодженнями в ДНК, але поступово ми про дізнаємося все більше: у журналі Cancer Cell фахівці з Массачусетського технологічного інституту описують досить складну схему взаємодії декількох клітинних білків, що дозволяють пухлинним клітинам виживати за відсутності p53. Суть у тому, що у них запускається особлива система, що дозволяє пригальмувати поділ і відремонтувати такі пошкодження в ДНК, з якими навіть пухлина не змогла б вижити.
Взагалі, важко говорити про репарацію ДНК, не згадуючи рак - вважається, що від 80 до 90% онкологічних захворювань трапляється якраз через неправильну роботу репаруючих машин, і робіт, присвячених взаємозв'язку одного з іншим, публікується дуже багато. Природно, всі намагаються зрозуміти, як можна зробити ліки, які діяли б на рак через механізми репарації; ситуація ускладнюється тим, що часто репаріюючі системи грають на користь пухлини. Багато хіміотерапевтичних препаратів створені для того, щоб руйнувати ДНК ракових клітин, а ремонтні ферменти цього якраз і не допускають, так що для успішної боротьби з онкологічним захворюванням іноді потрібно якось придушити в злоякісних клітинах ДНК-репаріюючі гени і білки. Але, щоб остаточно не заплутати читачів величезною масою інформації, про такі дослідження ми дозволимо собі промовчати.