Оригинал статьи

Наука в Сибири от 05.05.2016 г.

Поиск иголки в генетическом стоге сена

Сотрудники Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН получили грант Президента РФ, выиграв конкурс по государственной поддержке молодых российских ученых-кандидатов наук. Новосибирцы исследуют систему репарации ортопоксвирусов, чтобы найти вещества, которые способны подавлять жизненный цикл возбудителей болезней.

Основной носитель генетической информации всех живых организмов, исключая РНК-вирусы — это ДНК, и она постоянно повреждается под действием разных внешних и внутренних факторов. Чтобы при этом избежать мутаций, гибели клетки или ее превращения в раковую, в живой элементарной единице строения есть специальный механизм для удаления «поломок» — система репарации.


— Существует много методов исправления повреждений в клетках. Наша лаборатория геномной и белковой инженерии в числе других направлений своей деятельности изучает путь, который называется «эксцизионная репарация оснований». Благодаря этому способу из ДНК удаляются повреждённые азотистые основания, а затем восстанавливается нормальная структура молекулы, — рассказывает кандидат химических наук Григорий Вениаминович Мечетин.

Такие действия в клетке выполняют разные ферменты (они же энзимы) — белки, осуществляющие какую-то реакцию, у человека их больше десятка. По сути, это маленькие молекулярные машинки: одна может соединять нити ДНК, другая, наоборот, стирать что-то из последовательности. Например, биологически активное вещество урацил-ДНК-гликозилаза исключает из ДНК поврежденные звенья — основания урацила, а другие ферменты потом вставляют на это место неповрежденные.

— Нас интересовала еще неохарактеризованная на тот момент биохимически урацил-ДНК-гликозилаза ортопоксвирусов. В это семейство вирусов входят, в частности, натуральная оспа, оспа обезьян, которая представляет эпидемиологическую опасность для людей, — говорит Григорий Мечетин.

В 90% случаев вирус оспы обезьян не смертелен, но социально-значим в Африке, к тому же, вирус был завезен в США и вызвал вспышки заболевания: выявили 39 зараженных жителей в нескольких штатах в 2003 г. После истребления натуральной оспы вакцинация населения в мире прекратилась. Однако есть небольшая доля вероятности утечки вируса из исследовательских центров (официально их всего два в мире: это Вектор и CDC в Америке), а также попадания возбудителя болезни в руки террористов. Например, на складе института Здравоохранения в Мэрилэнде, США в 2014 году были обнаружены несколько давно забытых пробирок с этим вирусом.

Урацил-ДНК-гликозилаза крайне важна для жизненного цикла вируса, но не только из-за своей способности чинить последовательность. Предполагается, что основная роль фермента состоит в том, что он связывается с другим энзимом — ДНК-полимеразой, синтезирующей новую вирусную ДНК, и помогает ей функционировать. Урацил-ДНК-гликозилаза образует своеобразную «ручку», которая удерживает ДНК-полимеразу на последовательности, не дает ей покинуть место работы раньше времени. Если урацил-ДНК-гликозилазу убрать, то скорость размножения вируса стремительно падает. То, как действует этот «держатель», почему в его роли выступает именно фермент репарации и можно ли нарушить взаимодействие, пока никто не знает.


Этому вопросу и посвящена работа молодого ученого. Он предположил, что ДНК-гликозилаза тут неспроста. Дело в том, что перед ней стоит сложная проблема — найти повреждение среди огромного числа нормальных звеньев ДНК, для этого гликозилазы связываются с последовательностью и некоторое время «ездят» по ней в поисках дефекта, а если за какое-то время не найдут — перепрыгивают в другое место и начинают исследование там. Пока фермент таким образом ищет повреждение, он держится за ДНК довольно прочно. Возможно, такой процесс и помогает ДНК-полимеразе.

— Раньше мы исследовали урацил-ДНК-гликозилазы бактерий и человека, разработали специальные методы, при помощи которых способны определять, на какое расстояние энзимы могут скользить по ДНК, как ведут себя при столкновении с препятствиями. Это очень интересные фундаментальные вопросы, — объясняет Григорий Мечетин. — Но вирусная гликозилаза от них довольно сильно отличается по структуре. Возник вопрос, почему бы не посмотреть, как передвигается по последовательности урацил-ДНК-гликозилаза вируса, и приложить фундаментальную науку к практике, поискать вещества, которые смогут это движение подавлять.

Добыть фермент ученым помогли коллеги из лаборатории ортопоксвирусов Государственного научного центра вирусологии и биотехнологии «Вектор». Через некоторое время исследователь имел в своем распоряжении генноинженерную конструкцию с кусочком ДНК вируса осповакцины, производящим ровно один белок — урацил-ДНК-гликозилазу.


Кроме того, несколько лет назад ученым поступило предложение о сотрудничестве от коллег из МГУ им. М. В. Ломоносова. У москвичей была большая коллекция разных химических соединений, они выбрали те, которые теоретически по результатам компьютерного моделирования могут проникнуть в активный центр ДНК-гликозилазы и таким образом ее ингибировать.

— Нам прислали ряд соединений, и мы проверили, как они влияют на работу фермента, затем обнаружили несколько снижающих активность человеческой урацил-ДНК-гликозилазы. Но влияние на перемещение вещества по ДНК еще не смотрели — как раз собираемся этим заняться, а заодно и проверим воздействие веществ на вирусный энзим, — рассказывает ученый.

Исследование Григория не ограничивается одним ферментом. На самом деле очень многие белки, «работающие» с ДНК, должны искать мишени — будь то повреждения или какие-то конкретные участки ДНК с особой последовательностью нуклеотидов. Те, для которых известен механизм поиска, можно пересчитать по пальцам. И молодой ученый собирается применять разработанные им методы, чтобы увеличить это число и, возможно, обнаружить принципиально новые способы влияния на их деятельность в клетке.


Дарина Муханова

Фото: анонс — из открытых источников, остальные предоставлены Григорием Мечетиным