Клуб випускників МДУ Дихання мітохондрій зупинило рак
Блокування поділу клітин при пошкодженні ДНК, що передує переродженню клітин в пухлинні, відбувається далеко від клітинного ядра - в мітохондріях, «енергетичних станціях» живої клітини. Автор цього дослідження, біохімік із МДУ Олександра Євстаф'єва, розповіла «Газеті.Ru» про те, як воно проходило, та про важливість розуміння клітинних процесів для фундаментальної та прикладної науки.
р53 - це білок-супресор пухлин, що кодується у людей геном ТР53. Якщо мутація відбувається в цьому гені, то людина може стати сприйнятливішою до розвитку злоякісної пухлини тієї тканини, в якій відбулася ця мутація. p53 надзвичайно важливий для багатоклітинних організмів. Він регулює клітинний цикл і може бути антионкогеном, тобто запобігати розвитку раку.
Через це р53 іноді називають "охоронець геному", "ген ангел-охоронець" або "старший доглядач", маючи на увазі його функцію зі збереження стабільності, запобігання мутацій геному.
Механізмів антиракових функцій Р53 кілька. Він розпізнає пошкодження хромосомної ДНК і може індукувати тимчасову зупинку поділу клітин у про точках регулювання (check-point) клітинного циклу. p53 також здатний активувати гени білків, що виправляють пошкодження ДНК (наприклад, при переродженні клітини на ракову). За час паузи білки, що відновлюють ДНК, одержують необхідний для роботи час. Якщо ДНК відновлює нормальну функцію, клітини знову починають ділитися, та його ракового переродження немає. Якщо пошкодження ДНК не піддається виправленню, р53 здатнийзапустити процес апотозу - запрограмованої загибелі клітини. Подібним чином р53 може реагувати і інші клітинні стреси.
Наша робота виникла на стику двох тематик (вивчення білка р53 та роботи мітохондрії), які зазвичай мало перетинаються. У лабораторії молекулярної біології гена Інституту ім. Білозерського, яку очолює професор Андрій Вартапетян, проводилися дослідження активності пухлинного супресора Р53 при дії різних стресів. Один із видів клітинного стресу - порушення роботи дихального ланцюга мітохондрій. Мітохондрії – це органели, які є «енергетичними станціями» клітини. З боку мітохондрій ідеологію роботи визначав Борис Черняк, керівник групи відділу біоенергетики, відомий фахівець із мітохондрій.
Що таке дихальний ланцюг мітохондрій? У процесі перетворення енергії використовуються багаті на енергію електрони, укладені в поживних речовинах. Перенесення електронів йде послідовно через ряд складних білкових комплексів (з номерами від 1 до 4), що плавають у мітохондріальній мембрані та утворюють «дихальний ланцюг». Просуваючись цим ланцюгом, електрони послідовно переходять на дедалі нижчі енергетичні рівні і з'єднуються з киснем повітря, яким ми дихаємо. При цьому енергія, що віддається електронами, перетворюється на біологічно корисні форми, зокрема, в енергію аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ).
У нашій роботі виявили цікаве явище. Виявилося, що коли ланцюг перенесення електронів перекривали лише на рівні комплексів 1, 2 чи 4, активність пухлинного супресора р53 залишалася на початковому низькому рівні. Однак при порушенні перенесення електронів через комплекс 3 дихального ланцюга мітохондрій відбувалася значна активація р53.
Цеозначає, що самі собою неполадки в роботі дихального ланцюга не такі важливі для клітини, як зупинка потоку електронів через комплекс 3.
У разі сигнал про нещастя досить швидко передається в клітинне ядро, рівень і активність р53 різко зростає, у результаті включається робота генів, відповідальних зупинку клітинного циклу. Клітини перестають ділитися, і через деякий час у них включається механізм програмованої клітинної смерті – апоптоз.
Так як неполадки в роботі дихального ланцюга відбуваються в мітохондріях, а активований р53 працює в іншій частині клітини, в ядрі повинен існувати шлях передачі сигналу від мітохондрії в клітинне ядро. Ми почали шукати цей сигнальний шлях. Не можна сказати, що ми знайшли всі його ланки, проте ключову ланку було виявлено. Виявилося, що за передачу сигналу відповідальний фермент DHODH, який бере участь у біосинтезі піримідинових нуклеотидів (мономірних блоків для синтезу нових молекул ДНК та РНК). Цей фермент розташований у мітохондріальній мембрані поблизу комплексу 3 дихального ланцюга. Зупинка потоку електронів через комплекс 3 веде до порушення цього ферменту і, як наслідок, зупинці синтезу піримідинових нуклеотидів.
Синтез РНК та ДНК відбувається в клітинному ядрі, і порушення кожного з цих процесів може призводити до активації р53. Ми показали, що нестача мономерних блоків для утворення нових молекул РНК і ДНК в клітині, що ділиться, і є причиною активації р53. Так, додавання піримідинових нуклеотидів у середу для зростання клітин вимикало активацію р53 при інгібуванні комплексу 3, клітини виживали.
Отже, в нашій роботі вперше показано, що біосинтез піримідинових нуклеотидів є сполучною ланкою між дихальним ланцюгом мітохондрій іпухлинним супресором Р53.
Виявлення нового шляху активації р53 важливе як з погляду фундаментальної науки, так розробки методів лікування онкологічних захворювань.
Наш науковий колектив базується на Інституті фізико-хімічної біології ім. Білозерського (є підрозділом Московського державного університету). Крім того, Інститут тісно співпрацює з факультетом біоінженерії та біоінформатики МДУ, неофіційна назва цього симбіозу – «Інститут-факультет». Співробітники інституту, які активно працюють у різних галузях на стику біології з фізикою, хімією чи інформатикою, не тільки читають лекції, ведуть семінари та практикуми; суттєвим елементом освіти є наукова робота студентів у лабораторіях інституту, починаючи з молодших курсів. Співробітники інституту стають їх «тьюторами» – так називається (за прикладом елітних навчальних закладів Англії) наставник студента, який допомагає йому долучитися до наукової роботи.
Можливо, це прототип тієї організації «штучної» освіти, яка найкраще здатна підготувати студентів до майбутньої роботи у сфері науки.
Крім того, ми активно співпрацювали з Петром Чумаковим, який одночасно є керівником лабораторії в Дослідницькому інституті Лернера (Клівленд, США) та ІМБ РАН. Будучи фахівцем з пухлинного супресора Р53 світового рівня, він постійно допомагав нам як ідеологічно (ми разом планували експерименти та обговорювали їх результати), так і здійснював оперативну доставку із США необхідних для роботи векторів, клітинних ліній та антитіл.