Суперкомп’ютери допомагають розкрити секрети відновлення ДНК

Дослідники використовують потужність найдосконаліших у світі суперкомп’ютерів, щоб симулювати внутрішню роботу клітинних механізмів, які відновлюють ДНК і допомагають запобігти небезпечним для життя захворюванням. Сонячні опіки та передчасне старіння є добре відомими наслідками впливу ультрафіолетового (УФ) випромінювання, тютюнового диму та інших канцерогенів. Але пошкодження виходить за межі поверхні – всередині організму ці шкідливі агенти можуть буквально розривати ДНК.

Розуміння того, як організм відновлює та захищає себе від цього пошкодження ДНК, має вирішальне значення для вдосконалення лікування генетичних розладів і таких небезпечних для життя захворювань, як рак. Проте, незважаючи на значні дослідження та медичний прогрес, багато аспектів молекулярних механізмів відновлення ДНК залишаються недостатньо вивченими.

Щоб пролити світло на цей процес, дослідники з Університету штату Джорджія протягом останніх кількох років використовували суперкомп’ютер Summit у Національній лабораторії Оук-Рідж Департаменту енергетики. Їхня мета: складний механізм відновлення ДНК, відомий як нуклеотидна ексцизійна репарація (NER). Цей шлях спирається на високоскоординований набір білкових комплексів, які ідентифікують і видаляють пошкоджену ДНК з надзвичайною точністю.

У своєму останньому дослідженні, опублікованому в Nature Communications , команда розробила детальну комп’ютерну модель ключового компонента NER, відомого як передрозрізний комплекс (PInC). PINC відіграє ключову роль у регулюванні відновлення ДНК на пізніх стадіях шляху NER. Розгадуючи, як PINC функціонує та вписується в ширшу послідовність відновлення, дослідники сподіваються виявити нові терапевтичні цілі для лікування раку та запобігання захворюванням, пов’язаним із пошкодженням ДНК і передчасним старінням.

«Нас цікавить те, як клітини відновлюють свій генетичний матеріал», — сказав провідний дослідник Івайло Іванов, професор хімії в Університеті штату Джорджія. «NER — це універсальний шлях, який відновлює всі види різних пошкоджень ДНК за допомогою триетапного процесу, який спирається на делікатно збалансований молекулярний механізм. На жаль, можуть розвинутися шкідливі мутації, які заважають цьому механізму та викликають важкі захворювання людини».

«Проте наслідки генетичних мутацій можуть разюче відрізнятися залежно від їхньої позиції в репараційних комплексах. У деяких випадках мутації призводять до чутливості пацієнтів до ультрафіолетового світла та надзвичайної схильності до раку. В інших випадках вони викликають аномальний розвиток і передчасне старіння», — сказав він. «Чому це відбувається, до кінця не зрозуміло на молекулярному рівні. Це таємниця, яку намагаються розгадати наші зусилля з комп’ютерного моделювання».

Три акти ремонту

NER розгортається в три окремі етапи: розпізнавання, перевірка та ремонт. Кожна стадія потребує різних груп білків для виконання певних функцій, подібно до того, як команда травматології має різних спеціалістів, необхідних для лікування поранених пацієнтів у відділенні невідкладної допомоги. Таким чином, обладнання NER може адаптуватися та змінювати свою форму залежно від поставленого завдання.

На першій стадії білок NER XPC (пігментна ксеродерма групи С) діє як особа, що першим реагує, яка знаходить місце пошкодженої ДНК або пошкодження, а потім закручує спіраль ДНК, щоб зробити пошкодження доступним. Потім XPC викликає інші білки відновлення, щоб допомогти ініціювати другий етап, який називається перевіркою пошкодження або скануванням пошкоджень.

Тут білковий механізм NER набуває нової форми. Коли XPC відступає, білковий комплекс, який називається фактором транскрипції IIH, або TFIIH (вимовляється як TF-2-H), переміщується на своє місце. TFIIH далі розкручує ділянку ДНК і сканує щойно відкритий ланцюг на наявність пошкоджень. Після цього він перебуває в руках хірурга — PINC — на третьому й останньому етапі відновлення.

Коли стан «пацієнта» стабілізований і підготовлений до операції, можна розпочинати операцію з видалення пошкодженої нитки ДНК. Два ферменти, XPF і XPG (пігментна ксеродерма, групи F і G), розташовуються точно з кожного боку ураження і діють як молекулярні ножиці, щоб вирізати пошкоджений сегмент ДНК. Після видалення ураження нова ДНК синтезується, щоб заповнити залишену прогалину. Нарешті кістяк ДНК запечатується, а пошкоджена ДНК відновлюється.

«Ми хочемо знати, як формується PINC після фази сканування ураження», — сказав Іванов. «Як він контролює розташування двох ферментних субодиниць, які виконують подвійний розріз пошкодженого ланцюга ДНК? І, що важливо, чи є перехресні переговори між двома ферментами? Чи відчувають вони один одного?»

«Це має значення, тому що після того, як пошкоджений ланцюг ДНК розщеплено, життєво важливо завершити процес відновлення шляхом заповнення цієї прогалини», – додав він. «Інакше це призведе до загибелі клітини або до введення дволанцюгових розривів, які надзвичайно шкідливі для клітини».

Відповіді на ці запитання вимагали від дослідників розгадати структуру PINC. У біології розуміння структури білка має важливе значення для розуміння поведінки або функції білкових комплексів. Форми, розміри та взаємодія білків визначають, як вони поєднуються разом, утворюючи великі біомолекулярні збірки.

«Ми інтегрували структурну модель PINC, використовуючи дані різних біофізичних методів, зокрема кріоелектронної мікроскопії», — сказав Іванов. «Але зрештою обчислення — це те, що об’єднує все».

Подібно до частин головоломки, модель PINC потрібно було зібрати з відомих структур складових білків, і всі окремі частини потрібно було зібрати разом у 3D. Однак багато компонентів PINC не мали відомих експериментальних структур. Щоб подолати цю проблему, дослідники використали модель на основі нейронної мережі під назвою AlphaFold2, щоб передбачити невідомі структури та інтерфейси між білками, які утримують разом PINC.

Фінальні симуляції саміту

«З обчислювальної точки зору, коли ви збираєте PINC, симуляції молекулярної динаміки комплексу стають відносно простими, особливо на великих суперкомп’ютерах, таких як Summit», — сказав Іванов.

Nanoscale Molecular Dynamics, або NAMD, — це код молекулярної динаміки, спеціально розроблений для суперкомп’ютерів і використовується для моделювання рухів і взаємодії великих біомолекулярних систем, які містять мільйони атомів. Використовуючи NAMD, дослідницька група провела широке моделювання. Потужність 200-петафлопного суперкомп’ютера Summit, здатного виконувати 200 000 трильйонів обчислень за секунду, мала важливе значення для розкриття функціональної динаміки комплексу PINC у часовому масштабі в мікросекунди.

«Моделювання показало нам багато про складну природу механізму PINC. Воно показало нам, як ці різні компоненти рухаються разом як модулі, і підрозділи цього комплексу на динамічні спільноти, які утворюють рухомі частини цієї машини», — сказав Іванов.

Отримані дані важливі тим, що мутації в XPF і XPG можуть призвести до серйозних генетичних розладів людини. Вони включають пігментну ксеродерма, яка є станом, який робить людей більш сприйнятливими до раку шкіри, та синдром Кокейна, який може впливати на ріст і розвиток людини, призводити до погіршення слуху та зору та прискорювати процес старіння.

«Моделювання дозволяє нам зосередитися на цих важливих областях, оскільки мутації, які заважають функціонуванню комплексу NER, часто відбуваються на інтерфейсах спільноти, які є найбільш динамічними областями машини», — сказав Іванов. «Тепер ми набагато краще розуміємо, як і звідки проявляються ці розлади».

Більшість симуляцій молекулярної динаміки було виконано на Summit. Однак після 6 років виробництва Summit було знято з виробництва в кінці 2024 року. Забігаючи на майбутнє, Іванов і його команда планують використовувати наступника Summit, Frontier, суперкомп’ютер класу екзамасштабів, який дебютував як найпотужніший суперкомп’ютер у світі, коли він був доступний онлайн у 2022 році.

Їхня робота над Frontier включатиме вивчення NER, пов’язаного з транскрипцією, тобто процесу відновлення ДНК, який виправляє пошкодження в активно транскрибованих генах, щоб гарантувати продовження виробництва основних білків.