Обнаружена «брешь в броне» ДНК, позволяющая ферменту запускать раковые мутации

Исследование в Университете Индианы выявило генетический механизм, который, вероятно, вызывает мутации, ведущие к раку.

Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, показывает, что фермент APOBEC3G — известный триггер мутаций, возникающих при превращении доброкачественных опухолевых клеток в злокачественные, — вызывает эти вредные изменения, мутируя гены во время репликации ДНК.

Исследование проводилось на бактерии Escherichia coli при поддержке гранта в $6.2 млн от Армейского научно-исследовательского управления США на изучение эволюции бактерий. Патрисия Фостер, главный исследователь по гранту и профессор кафедры биологии, является старшим автором работы.

Механизм мутагенеза

Вредное влияние семейства ферментов APOBEC возникает из-за сложного процесса разделения двух цепей двойной спирали ДНК для репликации во время клеточного деления. Одна из временно одноцепочечных цепей — отстающая цепь-матрица (lagging strand template) — оказывается высоко уязвимой для генетических мутаций.

Эта «брешь в броне» возникает потому, что ДНК-полимераза, строящая новую цепь ДНК, должна многократно «прыгать» по нуклеотидам отстающей цепи-матрицы. Каждый такой «прыжок» создает длинный участок ДНК, который временно остается в одноцепочечном состоянии.

«Мы говорим о тысячах оснований, остающихся без комплементарной цепи на протяжении всего цикла репликации», — сказала Фостер.

Роль APOBEC3G

Механизм, с помощью которого семейство ферментов APOBEC вызывает мутации, — дезаминирование цитозина, при котором цитозин («C») превращается в урацил. Присутствие урацила во время репликации ДНК может привести к ошибке, когда тимин («T») заменяет цитозин. Ферменты APOBEC специфически атакуют цитозины в одноцепочечной ДНК.

В исследовании разрушительное действие фермента наблюдалось на штамме E. coli, у которого была отключена способность удалять опасные урацилы. Лаборатория Фостер наблюдала влияние APOBEC3G примерно на 50 идентичных линиях E. coli в течение почти 100 дней, каждый из которых включал 20–30 бактериальных поколений.

Со временем в мутировавшей ДНК был обнаружен уникальный паттерн нуклеотидов — цепочка из трех молекул цитозина, или C-C-C, та же генетическая сигнатура, что и в других исследованиях этого семейства ферментов. Эти мутации в четыре раза чаще обнаруживались на отстающей цепи-матрице, чем на ведущей.

«Эти результаты убедительно свидетельствуют о том, что мутации возникают, когда APOBEC3G атакует цитозины во время репликации ДНК, пока они наиболее уязвимы на отстающей цепи-матрице», — сказала Фостер. «Этот базовый механизм, по-видимому, одинаков как у бактерий, так и в клетках человеческих опухолей».

Значение для медицины

Результаты могут иметь значение для персонализированной медицины. Поскольку с помощью современных технологий секвенирования ДНК можно идентифицировать опухоли, потенциально уязвимые для этого фермента, врач, лечащий такие опухоли, может рассмотреть возможность временного подавления экспрессии APOBEC.