Обнаружение и разрыв смертельных связей в ДНК

Химические повреждения генетического материала ДНК могут иметь катастрофические последствия для клеток и даже для всего организма. Поэтому эффективное выявление и быстрый ремонт повреждений ДНК жизненно важны для выживания. Особенно опасны сшивки ДНК-белок (DPCs), которые образуются, когда белки случайно присоединяются к ДНК. DPCs удаляются с помощью специального фермента — протеазы SPRTN, которая расщепляет связь между белком и ДНК. До сих пор оставалось неясным, как SPRTN распознаёт такие сшивки, которые могут сильно различаться по структуре. Теперь команда под руководством профессора Юлиана Стингли (Генцентр LMU) в сотрудничестве с профессором Михаэлем Заттлером (Центр Гельмгольца в Мюнхене и Технический университет Мюнхена) показала, что фермент использует модульный механизм распознавания для обнаружения таких сайтов, активируясь только при очень специфических условиях. Новые результаты опубликованы в журнале Molecular Cell.

DPCs могут создаваться высокореактивными продуктами нормального метаболизма или синтетическими химиотерапевтическими агентами. Эти повреждения чрезвычайно токсичны, поскольку блокируют репликацию ДНК и, следовательно, деление клеток. Своевременный и эффективный ремонт этих сшивок ферментом SPRTN критически важен для жизнеспособности клеток и подавления опухолеобразования. У людей мутации, снижающие активность фермента, связаны с высокой частотой рака печени в раннем возрасте и значительно ускоряют процесс старения. «У SPRTN сложная задача, потому что структура сшивки может сильно варьироваться в зависимости от белка и субъединицы ДНК. Поэтому фермент должен уметь идентифицировать множество различных структур как аномальные», — объясняет Ханна Райнкинг, первый автор исследования. «Мы спросили себя, какими свойствами должна обладать DPC, чтобы быть распознанной и расщеплённой».

Чтобы ответить на этот вопрос, Райнкинг и коллеги создали модельные субстраты, состоящие из белков, присоединённых к определённым позициям в цепях ДНК, и проверили, может ли протеаза SPRTN репарировать их в пробирке. Этот подход показал, что SPRTN взаимодействует со структурами, часто встречающимися вблизи DPCs. С помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса (NMR) они далее показали, что SPRTN содержит два домена распознавания. Один связывается с двуцепочечной, а другой — с одноцепочечной ДНК. «Таким образом, белок использует модульную систему для распознавания субстрата. Фермент активен только тогда, когда задействованы оба домена — а ДНК, в которой двуцепочечные и одноцепочечные участки встречаются в непосредственной близости, часто обнаруживается вблизи сшивок», — говорит Стингли.

Эти результаты также имеют клиническое значение. Действие многих химиотерапевтических препаратов зависит от их способности образовывать сшивки с ДНК. Поскольку опухолевые клетки делятся чаще, чем немалигнизированные, они особенно чувствительны к этому типу повреждений ДНК. Ферменты репарации ДНК, такие как SPRTN, поэтому представляют большой интерес как потенциальные мишени для лекарств в контексте персонализированной терапии рака. Агенты, специфически ингибирующие протеазу, в конечном итоге могут быть использованы для повышения эффективности химиотерапии. «Наша работа теперь позволяет концептуализировать такие терапевтические стратегии», — говорит Стингли.