Ремонт ДНК власноруч керівництво для клітин
2015-10-7 20:33
Як уже неодноразово бувало в останні десятиліття, лауреати Нобелівської премії з хімії 2015 могли б отримати премію і в галузі фізіології та медицини. Цього року премію присуджено за дослідження репарації ДНК – механізмів усунення пошкоджень у цій молекулі.
Лауреатами стали Томас Ліндаль (Tomas Lindahl) шведський учений, який працює зараз в Інституті Френсіса Крику у Великій Британії, американець Пол Модріч (Paul Modrich) з Медичної школи Університету Дьюка та Азіз Санджар (Aziz Sancar), громадянин Туреччини та США, який працює в Університеті. Кароліни.
Слід пам'ятати, що в репарації ДНК задіяна велика кількість клітинних механізмів, з'ясування яких довгі роки займається багато вчених. Наприклад, премія Ласкера цього року теж була присуджена за дослідження в цій галузі, але іншим вченим Евелін Уіткін і Стівену Елледжу. Є чимало й інших дослідників, які зробили свій внесок у розуміння цих механізмів.
До розуміння цього факту одним із перших прийшов Томас Ліндаль на початку 1970-х, тоді ж він припустив, що якщо в молекулі ДНК постійно накопичуються дефекти, то мають існувати механізми їх усунення. Інакше живі організми просто не можуть існувати. Ліндаль почав шукати ферменти, що ремонтують ДНК. Він робив це за допомогою ДНК бактерій. Перший такий фермент Томас Ліндаль виявив у 1974 році, цей фермент використовується для усунення пошкоджень нуклеотиду цитозину. Цитозин – одне із слабких місць у молекулі ДНК, оскільки він порівняно легко втрачає аміногрупу, що призводить до зміни генетичної інформації. Якщо «нормальний» цитозин за принципом комплементарності утворює ДНК зв'язку з гуаніном, то пошкоджений -з аденіном. Якщо пошкодження збережеться, то при наступному розподілі клітини, коли ДНК реплікується, закріпиться мутація, яка спотворює генетичний текст. Томас Ліндаль зумів ідентифікувати фермент, який видаляє пошкоджений цитозин із бактеріальної ДНК.
Слідом за цим було більше 30 років безперервного пошуку «ремонтних ферментів», яким Ліндаль займався спочатку в Каролінському медичному інституті в Стокгольмі, потім у Великобританії, дослідному центрі Imperial Cancer Research Fund (з 2002 року - Cancer Research UK). 1986 року він став директором Clare Hall Laboratory. Те, що Томас Ліндаль з його постійним інтересом до механізмів репарації ДНК почав працювати в дослідницьких установах, присвячених вивченню раку, невипадково. Наразі вчені вважають, що від 80% до 90% онкологічних захворювань пов'язані з порушенням механізмів репарації.
У результаті Томас Ліндаль зумів виявити цілу низку ферментів, які становлять клас ДНК-глікозилаз. Вони розпізнають наявність у ДНК пошкоджених азотистих основ певних типів і видаляють їх, розщеплюючи зв'язок цієї основи з сахарофосфатним кістяком молекули ДНК. Потім вступають у справу інші ферменти. ДНК-полімераза синтезує відповідну ділянку ланцюжка ДНК замість віддаленого, а ДНК-лігаза зшиває ланцюжок. Даний вид ремонту ДНК отримав назву ексцизійної репарації (excision repair) від англійського excision «вирізання». 1996 року Томас Ліндаль зумів відтворити в лабораторії процес репарації ДНК людини.
З механізмом ексцизійної репарації пов'язані дослідження Азіза Санджара. У 1970-х роках Санджар помітив цікаве явище: бактерії, які отримали смертельну дозу ультрафіолетового випромінювання, виживають, якщо їх висвітлити синім світлом. З'ясування біохімічної природи цього чудовогопорятунок бактерій став предметом досліджень Санджара в Техаському університеті. В 1976 він зумів клонувати ген, який відповідає за синтез ферменту фотоліази, що відновлює пошкодження ДНК, нанесені ультрафіолетом. Також Санджар зумів отримати бактерії, які посилено продукували цей фермент. Як з'ясувалося, ДНК-фотоліаза дійсно активується видимим світлом та використовує для роботи його енергію.
Репарація ДНК після пошкодження ультрафіолетом - зразок ексцизійної репарації
На жаль, докторська дисертація Санджара, присвячена фотоліазі, тоді не викликала особливого інтересу, і три його заявки на посаду дослідника у різних університетах були відхилені. Тоді Азіз Санджар почав працювати лаборантом у Медичній школі Єльського університету. Там він зміг продовжити свої роботи з вивчення того, як ДНК бактерій відновлюється після ультрафіолетового опромінення. Санджар та його колеги зрозуміли, що бактерії мають дві системи відновлення. Одна працює на світлі (вона заснована на фотоліаз), а інша діє і в темряві. За кілька років роботи Санджар зміг визначити бактеріальні ферменти, що кодуються трьома генами uvrA, uvrB та uvrC. Він експериментально показав, як ці ферменти ідентифікують пошкоджену ділянку ДНК, а потім роблять два розрізи в ланцюжку, видаляючи шматок 12-13 нуклеотидів, що містить пошкоджену частину. Потім у справу вступають ДНК-полімераза і ДНК-лігаза, що вже згадувалися, добудовуючи відсутній фрагмент і зшиваючи ланцюжок.
Третій лауреат, Пол Модріч, на початку своєї кар'єри досліджував ДНК-полімерази та ДНК-лігази, а надалі звернув увагу на інший клас ферментів, задіяних у репарації ДНК. Робота цих ферментів, що отримали назву ДНК-метилтрансферази, полягає у приєднанні метильної групи(CH3-) до ланцюжка ДНК. Як встановив Пол Модріч, ці мітильні групи можуть бути покажчиками, які допомагають іншим ферментам розрізати ланцюжок ДНК у потрібному місці. У подальших дослідженнях Пол Модріч разом із молекулярним біологом Метью Мезельсоном (Matthew Meselson) відкрив спеціальний механізм репарації ДНК - репарацію помилково спарених нуклеотидів (DNA mismatch repair). Вона потрібна, коли в процесі подвоєння ДНК при клітинному розподілі виникають неправильні пари нуклеотидів, наприклад, аденін може з'єднатися з цитозином, а не тиміном. У цьому випадку клітині важливо замінити саме нуклеотид, що помилково виник, а не його напарника на сусідньому ланцюжку, який стоїть на своєму місці. Як встановили вчені, тут також використовують метилювання ДНК. У більшості бактерій помилкові нуклеотиди, як правило, містяться на одному з двох ланцюжків ДНК - дочірньої, яка була щойно добудована. При цьому вихідний ланцюжок містить приєднані до нього метильні групи, а дочірня поки неметильована. Тому її можна відрізнити, а далі використати вже відомий механізм: вирізати, замінити, пошити.
Репарація помилково спарених нуклеотидів у еукаріотів, більшості бактерій та у бактерії E. coli
Крім описаних систем останніми роками відкриті й інші способи репарації ДНК, що у живих клітинах. Встановлено зв'язок порушень у роботі систем ремонту ДНК із багатьма формами раку. Як з'ясували вчені, часто погана робота систем репарції грає на руку раковим клітинам: вони починають значно частіше мутувати, і тому можуть стати стійкими до хіміотерапії. Але біологи навчилися використовувати цей механізм при розробці нових ліків від раку. Якщо їм вдається придушити механізми репарації, що залишилися у ракових клітин, це призводить до уповільнення або повноїзупинки росту пухлини. Прикладами таких ліків є Olaparib, який інгібує один із ферментів, задіяних у репарації ДНК.