Суперкомпьютер создал молекулярную схему ремонта повреждённой ДНК
Воздействие УФ-лучей, табачного дыма и других канцерогенов приводит к повреждениям ДНК. Понимание механизмов репарации (починки) ДНК критически важно для лечения генетических расстройств и рака.
Исследователи из Университета штата Джорджия использовали суперкомпьютер Summit в Национальной лаборатории Ок-Ридж для изучения нуклеотид-экзизионной репарации (NER). Этот путь использует динамичные белковые комплексы для точного «вырезания» повреждённых участков ДНК.
В новом исследовании, опубликованном в Nature Communications, команда создала компьютерную модель ключевого компонента NER — пре-инцизионного комплекса (PInC). Он регулирует процессы репарации на поздних стадиях пути NER. Расшифровка этой последовательности событий может дать ключ к новым методам лечения и профилактики преждевременного старения и некоторых видов рака.
«Нас интересует, как клетки ремонтируют свой генетический материал. NER — это универсальный путь, который устраняет различные повреждения ДНК с помощью тонко сбалансированной молекулярной машинерии. Вредные мутации могут нарушить её работу и вызвать тяжёлые заболевания», — говорит ведущий исследователь Ивайло Иванов.
Три этапа репарации
NER разворачивается в три стадии:
- Распознавание: Белок XPC находит повреждение (лезию) и раскручивает спираль ДНК, делая его доступным.
- Верификация (сканирование): Комплекс TFIIH смещает XPC, далее расплетает ДНК и сканирует цепь на наличие повреждений.
- Ремонт (экзизия): Формируется комплекс PInC. Ферменты XPF и XPG позиционируются по обе стороны от лезии и действуют как молекулярные ножницы, вырезая повреждённый сегмент. Затем синтезируется новая ДНК, и разрыв зашивается.
«Нас интересует, как формируется PInC после фазы сканирования, как он контролирует позиционирование двух ферментов и есть ли между ними "перекрёстные помехи". Это важно, потому что если после разреза ремонт не будет завершён, это приведёт к гибели клетки или образованию крайне опасных двунитевых разрывов ДНК», — поясняет Иванов.
Сборка модели PInC
Чтобы ответить на эти вопросы, нужно было определить структуру PInC. Исследователи интегрировали данные криоэлектронной микроскопии и других биофизических методов. Для сборки 3D-модели, как пазла, из известных структур составляющих белков использовали нейросетевую модель AlphaFold2 для предсказания неизвестных структур и белковых интерфейсов.
Моделирование на Summit
Молекулярно-динамическое моделирование собранного комплекса провели с помощью кода NAMD на суперкомпьютере Summit (производительность 200 петафлопс).
«Симуляции показали нам сложную природу машинерии PInC: как разные компоненты движутся вместе как модули, и разделение этого комплекса на динамические сообщества, которые образуют движущиеся части этой машины», — отметил Иванов.
Мутации в XPF и XPG могут приводить к тяжёлым генетическим расстройствам, таким как пигментная ксеродерма (повышенная чувствительность к свету и предрасположенность к раку кожи) и синдром Коккейна (нарушения роста, развития, слуха, зрения и ускоренное старение).
«Симуляции позволяют нам сосредоточиться на важных областях, потому что мутации, нарушающие функцию комплекса NER, часто происходят на границах динамических сообществ. Теперь мы гораздо лучше понимаем, как и откуда возникают эти расстройства», — сказал Иванов.
После 6 лет работы Summit был выведен из эксплуатации в конце 2024 года. В дальнейшем команда планирует использовать его преемника — экзафлопсный суперкомпьютер Frontier, для изучения транскрипционно-сопряжённой NER — репарации повреждений в активно транскрибируемых генах.