'Freeze-frame' белки показывают, как развивается рак: Исследователи фиксируют неуловимые ключи к пути клеток к онкозаболеванию

Ученые из Университета Райса, Медицинского колледжа Бейлора и других институтов используют синтетическую биологию для захвата неуловимых, короткоживущих фрагментов ДНК, которые здоровые клетки производят на пути к превращению в раковые.

Эта работа может привести к разработке новых лекарств, способных предотвратить рак, путем нейтрализации «ДНК-интермедиатов» — ключевых фрагментов генетического кода, образующихся при озлокачествлении здоровых клеток. Исследование описано в новой статье в открытом журнале Science Advances.

«В моей лаборатории мы изучаем, как меняется геном — гены организма — в частности, как геном нормальных клеток изменяется, чтобы трансформировать клетки в раковые», — говорит руководитель проекта Сьюзан Розенберг.

Когда клетки делятся и копируют инструкции, закодированные в их ДНК, ДНК раскручивается и становится уязвимой для повреждений, которые необходимо устранить. Иногда процесс репарации (починки) ДНК также может вызывать мутации и ошибки. Когда эти ошибки накапливаются, клетки могут приобрести характеристики рака.

Ремонт ДНК обычно включает несколько этапов. Между исходной ДНК и конечным продуктом клетки производят ДНК-реакционные интермедиаты, которые имеют решающее значение для реакции, но их трудно изучать, поскольку они присутствуют лишь доли секунды, пока фермент катализирует превращение одной молекулы в другую.

«Мы решили создать синтетические белки, которые будут захватывать ДНК-реакционные интермедиаты в живых клетках», — сказала Розенберг.

Цянь Мэй, аспирант и научный сотрудник лаборатории Розенберг, взялась за задачу применения синтетического белка, способного захватывать короткоживущие интермедиаты. Используя инструменты синтетической биологии, исследователи создали и добавили пакеты генов в Escherichia coli — организм, который, как показали предыдущие работы, является надежной моделью генетических изменений в клетках животных.

«Мы хотим использовать синтетические белки для изучения механизмов, изменяющих последовательность ДНК. Геномика, позволяющая сравнивать гены нормальных и раковых клеток, похожа на чтение летописи окаменелостей этих процессов. Мы же хотим видеть, как происходят процессы, изменяющие ДНК, в реальном времени, включая все промежуточные этапы, которые наши синтетические белки позволяют "заморозить" во времени и изолировать», — пояснила Розенберг.

В тестах на E. coli исследователи обнаружили, что могут раскрывать молекулярные механизмы, лежащие в основе нестабильности генома — отличительной черты рака. В одном случае они обнаружили новую роль для белка E. coli, родственного пяти человеческим онкобелкам. Анализ данных об экспрессии генов в человеческих опухолях позволил предположить, что два из этих пяти родственных человеческих белков потенциально способствуют развитию рака по сходному, ранее неизвестному механизму.

«Самая захватывающая часть этой работы для меня — мы можем узнать что-то новое о механизмах рака из модели. Даже несмотря на разницу между бактериями и клетками человека, многие белки репарации ДНК высоко консервативны в эволюции; это делает модель хорошей для изучения того, как клетки репарируют ДНК или накапливают мутации», — сказала Цянь Мэй, соавтор статьи.

С помощью синтетических белков ученые смогли идентифицировать специфические молекулы-интермедиаты репарации ДНК, их количество в клетках, скорость образования, расположение в геноме и молекулярные реакции, в которых они участвуют.

«Когда вы знаете эти реакции и роль каждого интермедиата в механизмах, изменяющих ДНК, вы можете думать о создании лекарств, которые будут их останавливать. В будущем мы надеемся разрабатывать препараты, нацеленные на определенные типы рака — лекарства, которые блокируют способность клеток эволюционировать в раковые, вместо или в дополнение к традиционной химиотерапии, убивающей или останавливающей рост раковых клеток», — заключила Розенберг.