Учёные раскрыли механизм репарации ДНК
Новое исследование дополняет формирующуюся радикально новую картину того, как бактериальные клетки постоянно исправляют повреждённые участки своей ДНК.
Опубликованный 16 мая в журнале Cell отчёт описывает молекулярный механизм пути репарации ДНК, который противодействует ошибочному включению определённого типа молекулярных «кирпичиков» — рибонуклеотидов — в генетический код. Такие ошибки часто возникают в процессе копирования кода у бактерий и других организмов. Поскольку ошибочное включение рибонуклеотидов может привести к вредным изменениям кода ДНК (мутациям) и разрывам ДНК, у всех организмов эволюционно развился путь репарации, называемый эксцизионной репарацией рибонуклеотидов (ribonucleotide excision repair, RER), который быстро исправляет такие ошибки.
В прошлом году команда под руководством Евгения Нудлера, доктора философии, опубликовала два анализа репарации ДНК в живых клетках E. coli. Они обнаружили, что большая часть репарации определённых типов повреждений ДНК (объёмных повреждений), например, вызванных УФ-излучением, происходит потому, что повреждённые участки кода сначала идентифицируются белковой машиной — РНК-полимеразой. РНК-полимераза движется вдоль цепи ДНК, считывая код «букв» ДНК в процессе транскрипции инструкций в молекулы РНК.
Нудлер и его коллеги обнаружили, что во время этого процесса транскрипции РНК-полимераза также находит повреждения ДНК и служит платформой для сборки машины репарации, называемой комплексом эксцизионной репарации нуклеотидов (nucleotide excision repair, NER). NER затем вырезает найденную повреждённую ДНК и заменяет её точной копией. Без действия РНК-полимеразы в живых бактериях происходит мало NER, если вообще происходит.
Новое исследование в Cell предоставляет первые доказательства того, что, как и в пути NER, RER тесно связана с транскрипцией. Авторы исследования обнаружили, что ключевой фермент, участвующий в RER, — RNaseHII — также взаимодействует с РНК-полимеразой, сканируя цепи ДНК в живых бактериальных клетках на предмет ошибочно включённых рибонуклеотидов.
«Наши результаты продолжают вдохновлять на переосмысление некоторых основных принципов в области репарации ДНК», — говорит Нудлер. «В дальнейшем наша команда планирует исследовать, сканирует ли РНК-полимераза ДНК на предмет всех видов проблем и запускает ли репарацию по всему геному, не только у бактерий, но и в человеческих клетках».
Передовые методики
Рибонуклеотиды (строительные блоки РНК) и дезоксирибонуклеотиды (компоненты ДНК) — родственные соединения. По словам авторов исследования, когда клетки копируют и строят цепи ДНК в бактериальных клетках, они часто ошибочно включают рибонуклеотиды в цепи ДНК вместо дезоксирибонуклеотидов, поскольку они отличаются всего на один атом кислорода. Известно, что в бактериальных клетках ДНК-полимераза III совершает около 2000 таких ошибок каждый раз, когда копирует генетический материал клетки. Для поддержания целостности генома основная масса ошибочно включённых рибонуклеотидов удаляется путём RER, но ключевым вопросом было то, как RNaseHII так быстро находит относительно редкие повреждения-рибонуклеотиды в «океане» неповреждённых клеточных кодов ДНК.
Как и в своих исследованиях 2022 года, учёные использовали количественную масс-спектрометрию и in vivo сшивание белок-белок, чтобы определить ключевые поверхности взаимодействия RNaseHII и РНК-полимеразы в живых бактериальных клетках. Таким образом они установили, что большинство молекул RNaseHII связываются с РНК-полимеразой.
Кроме того, они использовали криогенную электронную микроскопию (CryoEM), чтобы получить высокоразрешающие структуры RNaseHII, связанного с РНК-полимеразой, и выявить белок-белковые взаимодействия, определяющие комплекс RER. Дальнейшие эксперименты показали, что ослабление взаимодействия РНК-полимераза/RNaseHII нарушало RER.
«Эта работа поддерживает модель, согласно которой RNaseHII сканирует ДНК на предмет ошибочно включённых рибонуклеотидов, «путешествуя» на РНК-полимеразе, пока та движется вдоль ДНК», — говорит первый автор исследования Чжитай Хао. «Эта работа жизненно важна для нашего базового понимания процесса репарации ДНК и имеет далеко идущие клинические последствия».