Умное взаимодействие белков

До сих пор было известно очень мало о репарации ДНК с помощью гомологичной рекомбинации, которая имеет фундаментальное значение для здоровья человека. Теперь исследовательская группа ETH впервые выделила и изучила все ключевые белки, участвующие в этом процессе, заложив основу для изучения многих заболеваний.

Внутри нашего тела процесс деления клеток постоянно создает новые клетки для замены старых или поврежденных. Генетическая информация также дублируется и передается новым клеткам. Сложное взаимодействие множества различных белков обеспечивает бесперебойный процесс, поскольку эти белки немедленно исправляют любые ошибки, возникающие во время репликации ДНК. Однако тот же белковый механизм выполняет и другую функцию: в половых клетках, которые делятся с образованием гамет — яйцеклеток и сперматозоидов, — он отвечает за смешивание генетической информации материнской и отцовской сторон во время клеточного деления. Таким образом, один и тот же механизм должен решать две противоположные задачи: при обычном делении клеток (митозе) он обеспечивает сохранение генетической информации, а при делении для производства гамет (мейозе) — обеспечивает генетическое разнообразие.

Обе задачи жизненно важны. Если репарация ДНК не работает в митозе, это может привести к раку и другим заболеваниям. Если же обмен ДНК в мейозе функционирует неправильно, может пострадать фертильность и здоровье потомства. «Хотя эти процессы имеют решающее значение для нашего здоровья, до сих пор было очень мало известно о том, как функционирует и регулируется вся система», — говорит Жоау Матош, профессор биохимии ETH Zurich. Его команда изучила ответственные белки и обнаружила, как они различают две задачи.

Сложная задача

Ученые начали с культивирования большого количества клеток дрожжей в лаборатории, так как эти клетки содержат лишь минимальное количество задействованных белков. Производство дрожжевых клеток было чрезвычайно сложным: исследователи культивировали клетки в 120 контейнерах по 6 литров таким образом, чтобы деление происходило одновременно во всех клетках. Митоз и мейоз — высокосложные процессы, протекающие в точно оркестрованных фазах. Только синхронизированные клеточные культуры могут показать, какие белки важны в какой фазе и как они работают вместе.

Ученым уже было известно, что дрожжи, наряду с растениями, животными и людьми, имеют группу из семи ферментов, участвующих в репродукции ДНК: ферменты обработки промежуточных продуктов рекомбинации (RIPEs). Впервые ученым ETH удалось выделить эти RIPEs из клеточных культур и идентифицировать их в масс-спектрометре — в каждом случае из определенной фазы клеточного деления. Одновременно они использовали этот метод для идентификации ряда других белков, помогающих регулировать деление клеток.

Те же компоненты, но перепрограммированные

Жоау Матош и его команда в конечном итоге смогли определить, какие RIPEs важны для какой фазы клеточного деления и с какими вспомогательными белками взаимодействуют RIPEs в каждом случае. Первый неожиданный результат: количество RIPEs остается почти постоянным во всех фазах митоза и мейоза. «В отличие от многих других процессов, клетки не регулируют деление и репарацию ДНК через производство задействованных белков», — объясняет Матош. Вместо этого вспомогательные белки систематически взаимодействуют с ферментами RIPE, чтобы включать или отключать их в определенной фазе. «Все компоненты всегда присутствуют, но перепрограммируются в зависимости от задачи», — говорит профессор ETH.

Например, исследователи обнаружили, что три из RIPEs теряют почти всех своих партнеров по взаимодействию именно в так называемой метафазе мейоза, то есть когда смешивается материнская и отцовская ДНК. Взамен в этот момент формируется другой белковый комплекс. «Он должен быть ответственен за смешивание материнской и отцовской ДНК», — заключает Матош. Кроме того, исследователи ETH идентифицировали ряд новых вспомогательных белков, чья роль ранее была неизвестна.

Ключ к пониманию болезней

Результаты, полученные на дрожжевых клетках, можно перенести на человека, поскольку для каждого задействованного вспомогательного белка существует эквивалент у человека, функционирующий таким же или очень похожим образом. Таким образом, исследовательская группа Матоша и другие ученые могут опираться на эти знания. Теперь они могут изучать конкретные белки, чтобы выяснить, участвуют ли они и как в развитии заболеваний, и в конечном итоге найти средство для борьбы с ними.