Нобелевская премия по химии – от присуждения до награждения
За время, прошедшее с момента объявления нынешних лауреатов Нобелевской премии по химии, биологи успели найти новый ДНК-репарирующий фермент, узнать, как белки ищут неправильные пары нуклеотидов в ДНК, и увидеть, как двигается повреждённая ДНК в клетках человека.
Шестого октября мы узнали о том, кто в нынешнем году стал лауреатом Нобелевской премии по химии, и поспешили сообщить об этом нашим читателям. Напомним, что премию присудили за исследования в области репарации ДНК.
В нашей молекуле наследственности нередко случаются дефекты, которые могут самым неприятным образом сказаться на состоянии организма: ДНК может просто порваться одной или сразу двумя цепочками, и тогда её просто нужно сшить обратно, однако бывают и более хитроумные повреждения, связанные с модификацией букв генетического кода – нуклеотидов, или же с заменой правильных нуклеотидов на неправильные, искажающие смысл записанной в ДНК информации. Вот для исправления таких модификаций и неподобающих замен существуют специальные системы ферментов, и именно за расшифровку того, как они работают, Томас Линдаль, Азиз Санджар и Пол Модрич получат 10 декабря свою нобелевскую награду.
Два месяца с момента объявления лауреатов и до церемонии награждения – с одной стороны, срок небольшой, но только если не знать, что нового мы узнали за это время про репарацию ДНК. А узнали мы довольно много. Например, что человеческая ДНК в районе двуцепочечных разрывов начинает активно дёргаться, извиваться, в общем, у неё заметно увеличивается подвижность, как будто молекула специально размахивает внезапно образовавшимися концами. До недавнего времени такую «танцующую ДНК» наблюдали в разных других клетках, и вот наконец то же самое увидели и в человеческих.
Более того, команда из Рокфеллеровского института, опубликовавшая своё открытие в Cell, заодно определила и те внутриклеточные структуры, которые увеличивают подвижность ДНК – ими оказались белковые комплексы оболочки ядра и соединённые с ними микротрубочки цитоплазмы. (Микротрубочками называют длинные палочкообразные структуры, сложенные из множества белковых молекул и играющие роль клеточного скелета.) То есть ДНК, у которой случились разрывы в обеих цепях, начинает мельтешить под действием сложного белкового аппарата, причём это необходимо для того, чтобы ремонт прошёл удачно – считается, что если ДНК в месте разрыва будет активно двигаться, то репарирующим ферментам будет проще найти и соединить разорванные концы.
Что до самого механизма зашивания разрывов, то биологи продолжают уточнять. Например, в статье в Nature Cell Biology исследователи из Университета Альберты описывают поведение белка RNF138, чья задача – снять другой белок, Ku, с образовавшихся концов ДНК. Ku служит им чем-то вроде заглушки, но в его присутствии ликвидировать разрыв нельзя, поэтому и нужен RNF138, о котором пока что известно не слишком много.
Если же говорить о собственно «нобелевских» механизмах репарации ДНК, то здесь стоит вспомнить работу биологов из Университета Вандербильта, которые обнаружили ещё один белок, участвующий в так называемой эксцизионной репарации путём удаления повреждённых оснований. Когда в ДНК появляется модифицированный нуклеотид, в дело вступают ферменты гликозилазы, которые отщепляют от нуклеотида повреждённое азотистое основание (напомним на всякий случай, что нуклеотид – это трёхчастная молекула, состоящая из остатка фосфорной кислоты, сахара дезоксирибозы и одного из четырёх азотистых оснований; в состав ДНК входят 4 основания, аденин, тимин, гуанин и цитозин, и именно они и есть те самые 4 буквы генетического кода).
Механизм эксцизионной репарации оснований устраняет целый класс повреждений, и потому гликозилаз (первые из которых описал нынешний лауреат Томас Линдаль) существует не одна и не две. Однако фермент, который описан в Nature, отличается от всех остальных своих «коллег». Обычно гликозилазы, найдя повреждённое основание, отрывают его от его партнёра в другой цепи и выкручивают его из двойной спирали наружу, и вот такое торчащее наружу основание химически отщепляется от ДНК. Новая гликозилаза, названная AlkD, устраняет алкилированные основания (то есть такие, к которым присоединилась углеводородная химическая группа), однако она не поворачивает модифицированное основание наружу (см. рисунок), и сам повреждённый участок распознаёт не напрямую, а по косвенным признакам, и имеет дело с более объёмными модификациями, нежели другие родственные ферменты.
Для того, чтобы исправить любое повреждение в ДНК, нужно его сначала найти. А это задача непростая, учитывая миллионы и миллиарды «букв», из которых состоят геномы живых существ. Очевидно, у белков, занимающихся ремонтом ДНК, должны быть какие-то особые стратегии поиска – например, репарирующая система может с большей тщательностью следить за тем участком генома, где вероятность мутаций наиболее высока. Проще всего реализовать такую стратегию ферментам мисмэтч-репарации, механизмом которой занимался Пол Модрич.
Мисмэтч-репарация исправляет ошибки, которые оставляет после себя аппарат репликации, то есть удвоения ДНК. Как известно, генетические «буквы»-основания располагаются друг напротив друга в двух цепях ДНК отнюдь не случайно, а согласно правилу комплементарности: аденин стоит напротив тимина, гуанин напротив цитозина. При удвоении ДНК цепи старой молекулы разделяются, и на каждой из них синтезируется новая – дочерняя – цепь, так чтобы её нуклеотиды были комплементарны нуклеотидам старой, материнской цепи. Но бывает, что ферменты, синтезирующие новые цепи, ошибаются, и ставят в новую цепь совсем не ту «букву», которая там нужна – случается mismatch, или несовпадение. Так происходит сравнительно редко – один раз на 30-60 млн оснований – но мутация есть мутация, и её нужно исправить.
Узнаванием неправильно спаренных нуклеотидов занимается белок MutS, и, как показали эксперименты исследовательской группы из Мичиганского университета, MutS вовсе не сканирует терпеливо все основания в ДНК, а быстро проскакивает их большую часть, пока не дойдёт до того места, где происходит собственно репликация, и здесь его ход сильно замедляется – белок начинает искать плохие нуклеотидные пары. Стратегия, в общем, очевидная, но экспериментальное подтверждение того, что всё именно так и происходит, удалось получить только сейчас. Эксперименты, описанные в Proceedings of the National Academy of Sciences, проводили на бактериях, однако авторы работы полагают, что у человека поиск неверных нуклеотидных пар идёт точно так же – система мисмэтч-репарации в живом мире довольно консервативна.
Белки, ремонтирующие ДНК, существуют не сами по себе, в клетке у них есть множество «помощников», и «помощники» эти до сих пор известны не все. Например, исследователи из Копенгагенского университета опубликовали недавно в Nature статью, в которой рассказывают о том, как ремонту ДНК помогает гистон H1. На самом деле, кому тут и не быть помощниками, если не гистонам, специальным белкам-упаковщикам, постоянно связанным с клеточной ДНК и определяющим пространственную структуру и активность тех или иных её участков. Повреждения в ней гистоны должны чувствовать одними из первых. Действительно, когда в ДНК появляется много разрывов, они посылают сигнал тревоги, но именно про конкретный белок H1 тут до последнего времени ничего не было известно.
Стоит также сказать, кому гистоны сообщают сведения о плохом состоянии генетической молекулы: среди их «корреспондентов» – легендарный белок p53, «страж генома», как его иногда называют. Когда в ДНК возникают повреждения, он тормозит деление и понуждает репарирующие системы исправить всё, что нужно; если же повреждений очень много, он запускает программу апоптоза, клеточного самоубийства, чтобы клетка, чего доброго, из-за мутаций не превратилась в раковую. Когда что-то не то с самим p53, велик риск развития опухоли, и действительно, масса онкологических болезней возникает из-за неправильной работы или отсутствия p53.
Не вполне ясно пока, как сами раковые клетки ухитряются справиться с повреждениями в ДНК, но постепенно мы об узнаём всё больше: в журнале Cancer Cell специалисты из Массачусетского технологического института описывают довольно сложную схему взаимодействия нескольких клеточных белков, позволяющих опухолевым клеткам выживать в отсутствие p53. Суть в том, что у них запускается особая система, позволяющая притормозить деление и отремонтировать такие повреждения в ДНК, с которыми даже опухоль не смогла бы выжить.
Вообще, трудно говорить о репарации ДНК, не упоминая рак – считается, что от 80 до 90% онкологических заболеваний случается как раз из-за неправильной работы репарирующих машин, и работ, посвящённых взаимосвязи одного с другим, публикуется очень много. Естественно, все пытаются понять, как можно сделать лекарство, которое действовало бы на рак через механизмы репарации; ситуация осложняется тем, что часто репарирующие системы играют в пользу опухоли. Многие химиотерапевтические препараты созданы для того, чтобы разрушать ДНК раковых клеток, а ремонтные ферменты этого как раз и не допускают, так что для успешной борьбы с онкологическим заболеванием иногда нужно как-то подавить в злокачественных клетках ДНК-репарирующие гены и белки. Но, чтобы окончательно не запутать читателей огромной массой информации, о таких исследованиях мы позволим себе умолчать.
