Необычный механизм синтеза ДНК может объяснить генетические мутации
Исследователи раскрыли детали того, как клетки восстанавливают двуцепочечные разрывы ДНК — потенциально катастрофический тип повреждения.
При разрывах обеих цепей ДНК из-за окисления, ионизирующего излучения, ошибок репликации и некоторых продуктов метаболизма клетки используют генетически схожие хромосомы для "залатывания" разрывов. Чтобы восстановить хромосому, потерявшую один конец, используется уникальная конфигурация аппарата репликации ДНК как стратегия отчаяния для выживания клетки.
Работа была выполнена совместно группами под руководством Анны Малковой (Университет Индианы — Университет Пердью в Индианаполисе) и Кирилла Лобачева (Технологический институт Джорджии). Исследование опубликовано 11 сентября в онлайн-версии журнала Nature.
"Ранее мы показали, что скорость мутаций, вносимых репарацией, индуцированной разрывом, в 1000 раз выше по сравнению с нормальным синтезом ДНК, но мы никогда не понимали почему", — Анна Малкова.
Лаборатория Лобачева использовала передовые методы анализа, доступные лишь в нескольких лабораториях мира. Это позволило "заморозить" процесс репарации, индуцированной разрывом, на разных стадиях в клетках дрожжей. Оказалось, что этот тип репарации не полагается на традиционную репликационную вилку (Y-образную структуру), а вместо этого использует пузырьковую структуру для синтеза длинных участков отсутствующей ДНК. Этот пузырь копирует ДНК способом, ранее не наблюдавшимся в эукариотических клетках.
"Мы продемонстрировали, что репарация, индуцированная разрывом, отличается от репликации ДНК в S-фазе клеточного цикла, поскольку осуществляется с помощью мигрирующего пузырька, а не нормальной репликационной вилки, и приводит к консервативному синтезу ДНК, способствующему резко повышенному мутагенезу", — Анна Малкова.
Эта "репликация отчаяния" запускает "всплески генетической нестабильности" и может быть способствующим фактором в образовании опухолей.
"С точки зрения клетки, вся идея в том, чтобы выжить, и это способ пережить потенциально летальное событие, но это даётся дорогой ценой", — Кирилл Лобачев.
Во время репарации, индуцированной разрывом, один сломанный конец ДНК спаривается с идентичной последовательностью на партнёрской хромосоме. Репликация, протекающая в необычном пузырьковом режиме, затем копирует сотни килобаз ДНК от донорской хромосомы вплоть до теломеры.
"Удивительно, но это очень эффективный способ синтеза ДНК. Синтез может охватить целое плечо хромосомы", — Натали Сайни.
Пузырьковый режим репликации ДНК может работать в неделящихся клетках (состояние большинства клеток организма), что делает этот тип репликации потенциальным путём для образования рака.
"Важно, что пузырь репарации, индуцированной разрывом, имеет длинный хвост одноцепочечной ДНК, который способствует мутациям", — Шриджит Рамакришнан.
Одноцепочечный хвост может быть ответственен за высокий уровень мутаций, поскольку позволяет им накапливаться, избегая других механизмов репарации, которые быстро обнаруживают и исправляют ошибки синтеза ДНК.
"Когда речь идёт о раке, других заболеваниях и даже эволюции, кажется, что происходят всплески нестабильности, и механизмы, способствующие таким всплескам, были неясны", — Анна Малкова.
Молекулярный механизм репарации, индуцированной разрывом, раскрытый в этом исследовании, даёт одно из объяснений генерации мутаций.