Наука в Сибири

от 17.11.2022 г.

Оригинал статьи


Сибирские ученые исследовали механизмы поиска повреждений ДНК белками репарации

В клетках человека постоянно происходят структурные изменения ДНК, которые могут приводить к различным мутациям, клеточной гибели и образованию опухолей. Однако этому препятствуют белки репарации, которые непрерывно «патрулируют» ДНК, ищут ее поврежденные участки и оперативно их восстанавливают. Ученые Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН подробно изучают этот процесс.

Репарацией ДНК называют процесс восстановления ее исходной структуры. От работы систем репарации зависят жизнедеятельность и правильное функционирование клеток, поэтому исследования этих механизмов сегодня идут очень активно. В частности, они направлены на поиск новых мишеней в борьбе с онкологическими заболеваниями, а также на создание антибактериальных и противовирусных средств. «Повреждения ДНК всегда идут в клетках на фоновом уровне. У человека их могут провоцировать различные виды стресса, у бактерий — применение традиционных антибиотиков. Если мы заблокируем бактериям способность к восстановлению повреждений, то резко повысим их чувствительность к лекарствам. Поэтому влияние на репарацию рассматривается как перспективное направление для создания новых фармпрепаратов. Например, недавно для борьбы с опухолями начали активно использовать средства, направленные на такую группу ферментов репарации, как поли(АДФ-рибоза)-полимеразы в комбинации с более традиционными видами химиотерапии», — комментирует заведующий лабораторией геномной и белковой инженерии ИХБФМ СО РАН член-корреспондент РАН Дмитрий Олегович Жарков.

ДНК — химически нестабильная молекула, причин для ее поломки может быть огромное количество: влияние загрязняющих окружающую среду веществ, ионизирующего излучения, химических мутагенов. Но ни одна из них не является основной. «Главная угроза для нашей ДНК, — сообщает ученый, — это вода, из которой мы состоим на 70 %, и кислород, которым дышим. Вода и кислород взаимодействуют со многими сложными и простыми веществами внутри организма, а результатом этого взаимодействия являются гидролиз и окисление. Молекулы веществ, с которыми вода и кислород вступили в реакцию, разлагаются, и происходит повреждение ДНК. Есть также множество продуктов растительного происхождения, которые, попадая в организм человека, подвергаются метаболизму в печени, проникают в клетки и присоединяются к ДНК. Поэтому причин для поломки может быть достаточно много».

В живых клетках действуют несколько различных систем репарации, которые частично связаны друг с другом, но отличаются механизмами восстановления нормальной ДНК. Наиболее универсальный способ — это репарация специальными белками, которые находят нужную область, удаляют часть поврежденной цепи ДНК и меняют ее на нормальную. «Одни системы вырезают поврежденное основание и заменяют только один нуклеотид. Другие — целую группу из 15—20 нуклеотидов. Есть системы, способные убирать и до 1 000 нуклеотидов. В любом случае поврежденный участок подвергается деградации и вместо него встраивается нормальный», — объясняет Дмитрий Жарков.



Найти поврежденный участок ДНК — это невероятно трудная работа. Сравнить ее можно с поиском опечатки в многостраничной книге. Больше сотни различных белков репарации участвуют в этом рутинном процессе. «Гаплоидный геном человека (геном с одинарным набором непарных хромосом) содержит около трех миллиардов пар нуклеотидов, — рассказывает исследователь. — Во всей этой структуре нужно найти только одну ошибку. Если бы белки репарации последовательно проверяли каждый отдельный участок ДНК, то на весь процесс им понадобились бы годы и, возможно, они так никогда бы и не сумели отыскать поломку. Связывание с ДНК в произвольном месте и скольжение по ней в случайном направлении приносит гораздо больше пользы и экономит время».

Внимание исследователей было направлено, прежде всего, на три белка: бактериальную эндонуклеазу VIII и человеческие белки NEIL1 и NEIL2. «Раньше мы смотрели и другие белки репарации, включая урацил-ДНК-гликозилазу и формамидопиримидин-ДНК-гликозилазу (ФПГ), но конкретно на этих трех можно было сделать хорошую серию сравнений. Нас удивило, что, несмотря на сходство между собой всех этих трех белков и ФПГ, они совершенно по-разному проводят поиск. ФПГ скользит вдоль ДНК весьма быстро, в отличие от NEIL2, который неспособен перемещаться самостоятельно и использует специальный “транспорт” — РНК-полимеразу, которая застревает на поврежденных участках и пытается их репарировать. NEIL1 по эффективности оказался таким же, как и большинство других ферментов репарации, а эндонуклеаза VIII работала чуть хуже», — объясняет Дмитрий Жарков.

Изучение механизма передвижения ферментов репарации по ДНК на данный момент проводится только в ИХБФМ СО РАН и двух-трех других лабораториях в мире, поэтому работа является уникальным и оригинальным направлением в современных исследованиях. Ее результаты опубликованы в международном журнале Cells. В ближайших планах ученых стоит несколько масштабных задач. «Передвижение белков по ДНК, несомненно, составляет лишь часть более крупной тематики об общем влиянии на репарацию ДНК и создании новых лекарственных средств. Вся наша работа состоит из двух больших взаимодополняющих проектов. Во-первых, нужно провести валидацию мишеней: найти белки, нарушив работу которых можно снизить жизнеспособность бактериальных и раковых клеток. Во-вторых, в рамках сотрудничества с Новосибирским институтом органической химии им. Н. Н. Ворожцова СО РАН планируется разработка и оценка воздействия потенциальных лекарственных препаратов на определенные белки. Например, эндонуклеазу VIII можно попытаться использовать в качестве мишени для увеличения чувствительности бактерий к антибиотикам. С белками NEIL1 и NEIL2 немного сложнее: NEIL2 является чуть ли не самым часто мутировавшим белком в раковых опухолях, поэтому его нужно скорее не подавлять, а, наоборот, пытаться активировать, чтобы снизить риск развития онкозаболеваний», — заключает исследователь.

Полина Кустова