Защита целостности генома с помощью необычного механизма репарации ДНК
ДНК постоянно подвергается атакам, что приводит к образованию около 10 двунитевых разрывов (когда разрываются обе цепи двойной спирали) при каждом делении человеческой клетки. Для предотвращения мутаций, рака и других заболеваний необходима быстрая и точная репарация.
Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab), работая с клеточными линиями плодовой мушки Drosophila melanogaster, обнаружили неожиданный и сложный процесс репарации двунитевых разрывов в гетерохроматине. Гетерохроматин — один из двух основных типов хроматина, составляющего хромосомы, на который приходится треть хроматина у человека и дрозофилы. Он состоит в основном из коротких повторяющихся последовательностей, не кодирующих белки, и играет ключевую роль в организации хромосом.
Проблема репарации в гетерохроматине
«Гетерохроматин создает больше проблем для репарации ДНК, чем эухроматин», — говорит Гэри Карпен. Его группа обнаружила новый механизм ремонта. Репарация простых повторяющихся последовательностей особенно сложна, так как может приводить к хромосомным аберрациям — отличительной черте раковых клеток.
Для репарации двунитевых разрывов клетка может использовать два основных пути:
- Негомологичное соединение концов (NHEJ) — «склеивание» концов разрыва, часто с небольшими делециями.
- Гомологичная рекомбинация (HR) — более точный, но сложный механизм, использующий сестринскую хроматиду в качестве матрицы для точного восстановления последовательности.
В гетерохроматине, богатом повторяющимися последовательностями, гомологичная рекомбинация опасна: она может ошибочно использовать похожие последовательности с других хромосом, что приведет к их сшиванию.
Динамический процесс релокации
Исследователи обнаружили, что в гетерохроматине репарация идет по пути гомологичной рекомбинации, но с критической особенностью:
- Ранние стадии (резекция концов и рекрутирование белка ATRIP) начинаются в гетерохроматине уже через 3 минуты после повреждения.
- Ключевая и опасная стадия — загрузка белка Rad51, который формирует филаменты на одноцепочечной ДНК и ищет гомологичную матрицу, — в гетерохроматине блокируется.
- Релокация: Примерно через 30 минут после повреждения весь гетерохроматиновый домен набухает и формирует расширяющиеся и сжимающиеся «выступы» (fingers) хроматина. Поврежденная ДНК перемещается к периферии домена, за его пределы.
- Завершение репарации: Только после релокации, вне гетерохроматиновой области, появляется и загружается белок Rad51, и процесс гомологичной рекомбинации завершается безопасно.
«Мы наблюдаем, что во время репарации ДНК происходят схожие движения [как и при транскрипции генов]», — говорит Ирэн Кьоло, первый автор статьи.
Молекулярный страж
Исследователи выяснили, что рекрутирование Rad51 блокируется в гетерохроматине белковым комплексом Smc5/6. Это позволяет избежать аномальной рекомбинации между разными хромосомами и обеспечить безопасный ремонт с использованием сестринской хроматиды уже после перемещения разрыва.
«Этот механизм имеет решающее значение для защиты генома», — отмечает Кьоло.
Это открытие меняет представление о репарации ДНК, демонстрируя ее высокую динамичность и пространственную регуляцию. Ученые продолжают исследовать детали этого механизма и проверять, сохраняется ли он у других организмов, включая человека.
Источник: «Double-strand breaks in heterochromatin move outside of a dynamic HP1a domain to complete recombinational repair» by Irene Chiolo et al., опубликована в журнале Cell 4 марта 2011 года.