Сложный процесс репарации ДНК обеспечивает стабильность генома

Исследователи из Университета Торонто обнаружили, что сложная система нитей, динамика жидких капель и белковые соединители обеспечивают репарацию повреждённой ДНК в ядрах клеток. Эти результаты бросают вызов представлению о том, что сломанная ДНК дрейфует бесцельно, и подчёркивают ценность междисциплинарных исследований в биологии и физике.

Репарация ДНК обеспечивает стабильность генома, что позволяет клеткам функционировать и поддерживает здоровье организмов. Двухцепочечные разрывы ДНК особенно токсичны для клеток. Десятилетиями считалось, что эти разрывы бесцельно плавают внутри ядра, пока не запустят другие клеточные изменения или не столкнутся с механизмом починки.

Это представление начало меняться в 2015 году, когда Карим Мекаиль и его лаборатория показали, что повреждённая ДНК может целенаправленно транспортироваться моторными белками-"скорыми" в ДНК-"госпитали" — области ядра, обогащённые определёнными факторами репарации. Позже исследователи совместно с аэрокосмическими инженерами показали, что после единичного двухцепочечного разрыва ДНК перемещается для репарации по длинным "автобанам" из нитевидных микротрубочек, которые также движутся.

В текущем исследовании Мекаиль и ведущий автор Роксана Ошидари изучили дрожжевые клетки с множественными двухцепочечными разрывами ДНК. Они показали, что координация между короткими типами нитей микротрубочек и каплевидными жидкостными структурами, состоящими из белков репарации ДНК, обеспечивает создание и функционирование центра репарации ДНК.

"Жидкие капли работают вместе с внутриядерными микротрубочками, способствуя кластеризации сайтов повреждённой ДНК", — говорит Мекаиль, доцент лабораторной медицины и патобиологии. "Белки репарации в этих разных сайтах собираются в капли, которые сливаются в одну большую каплю-центр репарации под действием коротких ядерных микротрубочек".

Эта большая маслянистая капля затем ведёт себя как паук, выпуская паутину из звездообразных нитей, которые прикрепляются к более длинным "автобанам". По этим "автобанам" повреждённая ДНК транспортируется в "госпитали".

Журнал Nature Communications опубликовал результаты сегодня.

Мекаиль обратился к профессору Нассеру Ашгризу из отдела механической и промышленной инженерии, чтобы измерить и понять роль капель в процессе репарации. "Вы не найдёте лучшего эксперта по гидродинамике, и он был прямо через дорогу", — говорит Мекаиль об Ашгризе, который руководит лабораторией многофазных потоков и распылительных систем.

После месяцев обсуждений и экспериментов компьютерное моделирование неоднократно предсказывало, что короткие нити будут двигаться как поршни, понижая давление в нуклеоплазме и создавая эффект всасывания, который приводит к слиянию капель. Мекаиль и его команда подтвердили это открытие в своей лаборатории.

"Часто, углубляясь в специфику своей области, мы отдаляемся друг от друга", — говорит Ашгрис. "Объединение людей с разными взглядами может значительно улучшить понимание, и эта работа — хороший пример, с благодарностью Кариму за его видение и инициативу".

Команда также раскрыла другие важные свойства репарационных капель совместно с профессорами Хён Кейт Ли и Хейли Уайатт. Они проводили множество тестов с каплями, сталкивая их и наблюдая за поведением, которое оказалось очень похожим в чашке Петри и в клетках.

Самое неожиданное открытие было сделано после нескольких циклов слияния капель. Ошидари наблюдала, что более крупные капли инициируют внутреннюю концентрацию строительных блоков для нитей, заставляя создавать своего рода самозамковую "дорогу из кирпичей". Вместе с "паутиной" это позволяет ДНК зацепиться за длинные нити-"автобаны".

Этот сложный процесс легко упустить при изучении сайтов повреждения ДНК, в основном потому, что визуализация в этой области стала высоко автоматизированной. Большинство программ настроено видеть то, что уже видели раньше. "Мы не можем полагаться на старые способы наблюдения", — говорит Мекаиль. "Нам нужно обновлять наше программное обеспечение и также возвращаться к наблюдению человеческим глазом, при необходимости руководствуясь моделированием".