Высокая точность: учёный находит ключи к целостности генома

Поддержание стабильности и правильной последовательности нашей генетической информации жизненно важно для точной передачи генетического кода. Однако в процессе репликации ДНК часто сталкивается с препятствиями, возникающими как из внутренних, так и из внешних источников, что угрожает точности генетической информации. Точная обработка этих препятствий имеет первостепенное значение для целостности генома. Дефекты в этом процессе могут привести к раку, генетическим проблемам и преждевременному старению.

В исследовании, опубликованном в Journal of Cell Biology, Алессандро Виндиньи, доктор философии, профессор кафедры биохимии и молекулярной биологии им. Эдварда А. Дойзи в Университете Сент-Луиса, делится открытием, объясняющим, как клетки используют процесс, называемый реверсией репликационной вилки, чтобы справляться с этими препятствиями и передавать точные генетические данные.

Повреждения ДНК могут возникать до 100 000 раз в день на клетку. Они могут быть результатом нормальных метаболических процессов, таких как свободные радикалы, а также воздействия факторов окружающей среды, таких как УФ-излучение, рентгеновские лучи и химические соединения.

Неправильный ремонт повреждений ДНК может привести к мутациям, аномальным структурам хромосом или потере генетической информации, что, в свою очередь, может вызвать преждевременное старение, рак и генетические аномалии. В зависимости от степени нестабильности генома эти изменения определят, выживет ли клетка, перейдёт в состояние остановки роста или погибнет.

Если репликационный аппарат клетки сталкивается с повреждением, может произойти разрыв цепи. «Если эти цепи не будут отремонтированы должным образом, клетка может просто погибнуть, — говорит Виндиньи. — Или рост может быть навсегда прерван. Или серьёзное повреждение может быть "терпимо", и клетка продолжит репликацию. Это может быть как хорошим, так и плохим решением, так как это может привести к раку. Именно степень геномной нестабильности, вызванная повреждением, определит, выживет ли клетка».

Хотя эти сценарии представляют серьёзную угрозу, наши клетки выработали изящные механизмы для борьбы с ними.

ДНК реплицируется, расстёгивая две свои переплетённые цепи и делая копии каждой. Когда цепи ДНК разделяются и копируются, они образуют «репликационную вилку». Иногда эти вилки натыкаются на препятствия — например, на описанные выше повреждения, — которые блокируют их прогресс. Когда это происходит, клетки часто выполняют манёвр, называемый реверсией вилки.

Вновь синтезированные цепи ДНК отсоединяются от родительских цепей и присоединяются друг к другу. В то же время родительские цепи воссоединяются, частично «застёгивая» вилку. В результате вилка превращается в структуру с четырьмя ответвлениями, известную как реверсированная вилка.

«Реверсия вилки — это центральный механизм, который наш репликационный аппарат использует для борьбы с повреждениями ДНК, — говорит Виндиньи. — Как только повреждение на ДНК распознано, репликация ДНК меняет свой курс, образуя реверсированные вилки, ремонт производится, и столкновение с повреждением предотвращается».

В этом исследовании Виндиньи и его команда определили новые ферменты, которые позволяют клеткам возобновить репликацию после того, как повреждение ДНК было устранено.

Виндиньи обнаружил, что DNA2 — фермент, который работает как нуклеаза (фермент, расщепляющий ДНК) и как хеликаза (фермент, разделяющий двуцепочечную ДНК), — играет ключевую роль в обеспечении перезапуска реверсированных вилок. В частности, он обнаружил, что нуклеазная активность DNA2 важна для деградации реверсированных «рук» реверсированных репликационных вилок и, таким образом, для стимулирования перезапуска вилки.

Хотя для здоровых клеток полезно устранять эти препятствия в ДНК, исследователи рассмотрели обратную сторону медали, когда речь идёт о раковых клетках, которые используют тот же процесс, чтобы выжить после химиотерапии, повреждающей ДНК.

«Многие химиотерапевтические агенты действуют, нарушая репликацию ДНК. Они активно создают препятствие перед вилкой. Несколько соединений, используемых в клинической практике, являются ингибиторами репликации. В этом сценарии мы хотели бы предотвратить работу реверсии вилки в раковых клетках, — говорит Виндиньи. — В этом случае мы хотим, чтобы они столкнулись с препятствием, созданным химиотерапевтическим агентом».

Виндиньи надеется, что его открытия о том, как работают механизмы репарации, научат нас контролировать эти механизмы. Это открытие предлагает новые пути для разработки препаратов, блокирующих механизм репарации, что может повысить эффективность существующих химиотерапевтических препаратов.

«Важно понимать, как работает реверсия и перезапуск вилки, — говорит Виндиньи. — Если мы сможем разработать ингибиторы, мы сможем повысить чувствительность раковых клеток к уже используемым химиотерапевтическим средствам, улучшив их эффективность.

Раковые клетки и наши здоровые клетки используют одни и те же механизмы для устранения препятствий репликации, и эти ингибиторы предотвращали бы реверсию вилки как в раковых, так и в нормальных клетках, заставляя репликационные вилки сталкиваться с препятствиями. Однако здоровые клетки способны ремонтировать разрывы цепей, возникающие в результате этих столкновений, в то время как раковые клетки — нет, потому что они часто несут мутации в генах репарации ДНК, необходимых для устранения этих столкновений. Таким образом, комбинированное лечение ингибиторами реверсии вилки и используемыми в настоящее время химиотерапевтическими средствами может повысить специфичность этих препаратов в отношении раковых клеток».