Повреждение ДНК и сбойный ремонт совместно вызывают мутации
Исследователи из Европейского института биоинформатики EMBL (EMBL-EBI), Университета Данди и Института Сэнгера проанализировали более 2700 геномов червей C. elegans, чтобы лучше понять причины мутаций. Их выводы, опубликованные в Nature Communications, описывают, как мутации ДНК являются результатом совместного действия повреждения ДНК и неточных механизмов её репарации.
ДНК клетки постоянно подвергается физическим и химическим стрессам — генотоксинам, — которые могут её повреждать и вызывать мутации. Однако у клеток есть множество механизмов репарации для исправления повреждений вскоре после их возникновения. Иногда восстановительный процесс ремонта даёт сбой, либо внося дополнительные ошибки, либо не обнаруживая повреждения вовсе. Это приводит к мутациям, которые являются коренной причиной рака.
Считалось, что многие генотоксины, например, содержащиеся в табачном дыме, вызывают уникальный набор мутаций в геноме, узнаваемый как мутационный сигнатур. «Обнаружение таких сигнатур в раке позволяет учёным проследить, что изначально вызвало повреждение, и помочь в прогнозе и лечении, указывая на определённые уязвимости», — объясняет Надежда Волкова, недавний выпускник PhD в EMBL-EBI.
Однако многие мутационные сигнатуры, наблюдаемые в геномах рака, не связаны с каким-либо одним генотоксином, а другие, по-видимому, являются результатом сочетания факторов. Чтобы понять происхождение этих сигнатур, Волкова и коллеги протестировали эффекты более 150 комбинаций двенадцати генотоксинов на червях C. elegans, механизмы репарации ДНК у которых были либо неизменными, либо неисправными. Учёные экспериментально продемонстрировали, что мутационные сигнатуры возникают в результате совместного действия повреждения ДНК и специфических механизмов репарации.
Репарация ДНК и мутационные сигнатуры
«Многие изменения ДНК, которые мы наблюдали в нашем исследовании, встречаются и в раке человека, но мы обнаружили, что мутационные сигнатуры более изменчивы, чем считалось ранее», — говорит Волкова.
Учёные обнаружили, что разные типы изменений ДНК, вызванные одним и тем же генотоксином, часто исправляются разными путями репарации ДНК — одни безошибочными, другие подверженными ошибкам. В результате один генотоксин может оставлять различные мутационные сигнатуры с разной частотой, в зависимости от процесса ремонта.
Хотя большинство репараций ДНК предотвращает мутации, они же могут их и вызывать. Например, Волкова и коллеги показали, что один конкретный механизм, называемый транслезионным синтезом, ответственен за большинство точечных мутаций, вызванных воздействием генотоксина, как компромисс для предотвращения более серьёзных и потенциально более вредных мутаций. Хотя многие из этих незначительных мутаций могут быть безвредны, у человека они могут увеличивать вероятность развития опухоли.
«В геномике рака существует неявное ожидание, что для каждого сигнатура можно найти единственную причину: наш анализ ставит это ожидание под сомнение. За каждым паттерном стоят как минимум две неизвестные: произошедшее повреждение и репарационная способность клетки», — говорит Мориц Герстунг, руководитель группы в EMBL-EBI.
Объединение геномики рака и репарации ДНК
Хотя молекулярные механизмы репарации ДНК хорошо изучены, точные типы и частота мутаций, которые они могут генерировать, оставались неясными до появления высокопроизводительного секвенирования.
Это исследование сочетает полногеномное секвенирование с экспериментальным скринингом, чтобы лучше понять причины мутационных сигнатур. Результаты имеют потенциальные последствия для исследований рака, диагностики и лечения.
«Понимание взаимодействия между повреждением ДНК и репарацией помогает лучше оценить риск предрасположенности к раку и понять ответ на лечение рака», — говорит Беттина Майер, старший научный сотрудник Университета Данди.
Мутационные сигнатуры стали столпом анализа генома рака, поскольку они могут пролить свет на канцерогены, которым подвергались раковые клетки, и на механизмы репарации, которые были нарушены.
Однако не все наблюдаемые мутационные сигнатуры и их отдельные аспекты полностью понятны. Экспериментальный подход гарантирует, что наблюдаемые паттерны являются прямым следствием условий, заданных учёными. Он также помогает понять, как несколько процессов репарации ДНК совместно формируют мутационные сигнатуры.
«Потребовались годы, чтобы создать всех этих C. elegans с дефектами репарации, систематически подвергнуть их воздействию панели генотоксинов, а также подготовить, секвенировать и проанализировать их ДНК. Приятно видеть, что экспериментальная работа на C. elegans напрямую актуальна для интерпретации геномов рака», — говорит Антон Гартнер, руководитель группы в Университете Данди, недавно назначенный заместителем директора Центра геномной целостности IBS в UNIST Ульсан, Южная Корея.