Вчені розгадали код відновлення ДНК

Дослідники з LMS та LMB виявили, як білковий комплекс D2-I ідентифікує та відновлює пошкодження ДНК, що є проривом, який обіцяє покращити лікування раку завдяки покращенню нашого розуміння шляхів відновлення ДНК. Ця співпраця може прокласти шлях до більш ефективної терапії, націленої на механізми, які ракові клітини використовують, щоб чинити опір лікуванню.

Співпраця між дослідниками двох британських інститутів, що фінансуються Радою з медичних досліджень, — Лабораторії медичних наук (LMS) у Лондоні та Лабораторії молекулярної біології (LMB) у Кембриджі — дозволила розгадати таємницю, що існувала десятиліттями, і в майбутньому може призвести до вдосконалення методів лікування раку.

Робота, яка розкрила основний механізм того, як одна з найважливіших систем репарації ДНК розпізнає пошкодження ДНК та ініціює їх відновлення, не давала дослідникам спокою протягом багатьох років. Використовуючи найсучасніші методи візуалізації, щоб уявити, як ці білки репарації ДНК рухаються по одній молекулі ДНК, та електронну мікроскопію, щоб зафіксувати, як вони «прикріплюються» до певних структур ДНК, це дослідження відкриває шлях до більш ефективних методів лікування раку.

Співпраця між лабораторіями професора Девіда Руеда (LMS) і доктора Лорі Пассмор (LMB) стала яскравим прикладом того, як #команданаука може приносити плідні результати, і підкреслює важливість цих двох інститутів у просуванні досліджень, що відкривають фундаментальні механізми біології, які в майбутньому стануть основою для поліпшення здоров’я людей.

Розгадка механізму репарації ДНК

Дослідники працювали над вивченням шляху репарації ДНК, відомого як шлях анемії Фанконі [FA], який було відкрито понад двадцять років тому. ДНК постійно пошкоджується протягом нашого життя під впливом факторів навколишнього середовища, включаючи ультрафіолетове сонячне світло, вживання алкоголю, куріння, забруднення та вплив хімічних речовин. Один із способів пошкодження ДНК — це її «зшивання», що позбавляє її здатності нормально реплікуватися та експресувати гени. Для того, щоб реплікуватися, зчитувати та експресувати гени, дві нитки подвійної спіралі ДНК спочатку повинні розпастися на окремі нитки. Коли ДНК зшивається, «нуклеотиди» («сходинки» подвійної спіралі ДНК) двох ниток злипаються, перешкоджаючи цьому процесу.

Накопичення пошкоджень ДНК, включаючи зшивання, може призвести до раку. Шлях FA активний протягом усього нашого життя, він ідентифікує ці пошкодження і постійно їх відновлює. Люди, які мають мутації, що роблять цей шлях менш ефективним, набагато більш схильні до раку. Хоча білки, що беруть участь у цьому шляху, були відкриті деякий час тому, залишалося загадкою, як вони ідентифікують зшиту ДНК і запускають процес відновлення ДНК.

Команда з сестринської установи MRC LMS, LMB в Кембриджі, на чолі з Лорі Пассмор, раніше визначила, що білковий комплекс FANCD2-FANCI (D2-I), який діє на одному з перших етапів шляху FA, затискає ДНК, тим самим ініціюючи репарацію ДНК на зшивках. Однак ключові питання залишалися відкритими: як D2-I розпізнає зшиту ДНК і чому комплекс D2-I також залучений до інших типів пошкоджень ДНК?

У дослідженні, опублікованому в журналі Nature, було використано комбінацію передових наукових методів, щоб показати, що комплекс D2-I ковзає вздовж дволанцюгової ДНК, контролюючи її цілісність, а також елегантно візуалізувати, як він розпізнає, де потрібно зупинитися, дозволяючи білкам рухатися і з’єднуватися разом у цій точці, щоб ініціювати відновлення ДНК.

Передові технології проливають світло на молекулярні взаємодії

Артур Качмарчик і Корак Рей з групи Девіда Руеда з дослідження одномолекулярних зображень, працюючи з Пабло Альконом з групи Лорі Пассмор, використовували найсучасніший метод мікроскопії, відомий як «корельований оптичний пінцет і флуоресцентна візуалізація», щоб дослідити, як комплекс D2-I ковзає вздовж дволанцюгової молекули ДНК.

Використовуючи оптичний пінцет, вони змогли захопити одну молекулу ДНК між двома намистинами, що дозволило їм точно маніпулювати ДНК та інкубувати її з обраними білками. Використовуючи флуоресцентно мічений D2-I і одномолекулярні зображення, вони спостерігали, як окремі комплекси D2-I зв’язуються з ДНК і ковзають по ній, скануючи подвійну спіраль. Вони виявили, що замість того, щоб безпосередньо розпізнавати зшивання між двома нитками ДНК, FA-затискач припиняє ковзання, коли досягає одноланцюгового розриву ДНК — області, де відсутня одна з двох ниток ДНК.

Використовуючи кріоелектронну мікроскопію, потужний метод, який дозволяє візуалізувати білки на молекулярному рівні, дослідники визначили структуру комплексу D2-I як у ковзному положенні, так і в стані зупинки на стику між одноланцюговою та дволанцюговою ДНК. Це показало, що контакти, які D2-I встановлює з цим з’єднанням одноланцюгової та дволанцюгової ДНК, відрізняються від контактів, які він встановлює лише з дволанцюговою ДНК. Це дозволило вченим ідентифікувати специфічну ділянку білка FANCD2, названу «KR-спіраллю», яка, як вони показали в експериментах з одномолекулярною візуалізацією, є критично важливою для розпізнавання та зупинки в одноланцюгових розривах ДНК.

Працюючи з Гійомом Гільбо та Джуліаном Сейлом з відділу PNAC ЛМБ, а також Темосом Ліоліосом та Паком Кніпшеєром з Інституту Хубрехта, Нідерланди, вони показали, що здатність комплексу D2-I зупинятися на цих з’єднаннях за допомогою спіралі KR є критично важливою для репарації ДНК за допомогою FA-шляху.

Коли ДНК нормально реплікується в наших клітинах, вона роз’єднує два ланцюги ДНК і копіює кожен окремий ланцюг. Це створює «вилку реплікації», де вихідні нитки ДНК розкручуються і на кожній нитці утворюється нова дволанцюгова ДНК. Однак, коли ця вилка досягає зшивки ДНК, нитки не можуть роз’єднатися, зупиняючи звичайний процес реплікації ДНК. Таким чином, вилка реплікації, що зупинилася, містить відкриті одноланцюгові розриви, в яких ДНК розмотується, але не реплікується. Це дослідження показало, що саме на цих з’єднаннях між одно- та дволанцюговою ДНК у вилці реплікації, що зупинилася, міцно фіксується білковий комплекс D2-I.

Значення для лікування раку і не тільки

Це не тільки дозволяє комплексу D2-I доставити інші білки шляху FA до зшивання ДНК, щоб ініціювати репарацію, але й закріпити решту дволанцюгової ДНК, захищаючи зупинену «вилку реплікації» від ферментів у клітині, які могли б пережувати відкритий кінець ланцюга ДНК і ще більше пошкодити ДНК. Ця робота показала, що саме структури ДНК всередині вилки реплікації, яка зупинилася внаслідок зшивання ДНК, а не сама зшита ДНК, змушують комплекс D2-I припинити ковзання і прикріпитися до ДНК, щоб ініціювати репарацію. Ці зупинені реплікаційні вилки з’являються при багатьох типах пошкоджень ДНК, що пояснює широку роль комплексу D2-I в інших формах репарації ДНК, а також за допомогою шляху FA.

Розуміння процесу репарації ДНК і, що важливо, чому він не відбувається, має величезне значення, оскільки пошкодження ДНК є ключовим фактором багатьох захворювань. Критично важливо, що багато ліків проти раку, наприклад, цисплатин, діють, викликаючи настільки серйозні пошкодження ракових клітин, що вони перестають ділитися і гинуть. У таких випадках шляхи репарації ДНК — такий життєво важливий фізіологічний процес у нормальному житті — можуть бути захоплені раковими клітинами, які використовують їх, щоб протистояти впливу хіміотерапевтичних препаратів. Розуміння механічної основи першого кроку на шляху репарації ДНК може привести до способів сенсибілізації пацієнтів, щоб ліки від раку могли бути більш ефективними в майбутньому.