Генная сеть раскрывает реакции на стресс, мутации и адаптацию
Доктор Сьюзан Розенберг долгое время изучала загадочную реакцию бактерий на стресс и возникающие при этом мутации. В новом выпуске журнала Science она собрала части этой головоломки, описав большинство компонентов сложной генной сети, которая вызывает мутации при репарации двунитевых разрывов ДНК в клетках, испытывающих стресс.
«Теперь мы знаем 93 гена, более половины из которых направляются в три узла, ведущих по пути мутагенеза», — заявила Розенберг, профессор молекулярной и человеческой генетики в Медицинском колледже Бейлора.
Новаторская работа Розенберг показала, что скорость мутаций может возрастать в ответ на стресс, такой как голодание, или на вызовы среды, например, антибиотики. Это меняет старые представления о постоянном и постепенном накоплении мутаций со временем. Некоторые мутации вредны, другие могут способствовать выживанию. В этой работе она и её коллеги стремились определить клеточные пути, приводящие к такой стрессовой реакции.
«Мы провели скрининг каждого гена в Escherichia coli, который необходим для этого процесса», — сказала Розенберг. E. coli — это модельный организм, часто используемый в лабораториях, так как её ДНК и другие компоненты работают аналогично человеческим.
Они обнаружили, что мутагенная часть процесса не требуется для репарации разорванных цепей ДНК. Когда они «нокаутируют» или удаляют специальную «склонную к ошибкам» ДНК-полимеразу, «ДНК прекрасно репарируется, и мутаций нет». Таким образом, клетки создают мутации не потому, что это необходимо для репарации ДНК. Скорее, этот механизм, по-видимому, регулирует производство мутаций, увеличивая их количество во время стресса, когда клетки плохо адаптированы к своей среде и с наибольшей вероятностью могут получить пользу от мутаций.
«Ранее было известно менее 16 белков, необходимых для осуществления индуцируемого стрессом мутагенеза. Это примерно столько, сколько известно для любого молекулярного механизма в биологии ДНК», — отметила Розенберг. «Наш скрининг искал весь список всех белков, которые клетка использует для этого».
Трудоёмкий процесс, начатый тогдашним постдоком доктором Мэри-Джейн Ломбардо, был завершён доктором Амаром Аль Мамуном, ассистент-профессором в лаборатории Розенберг.
Большие части сети работают «выше по течению» от активации стрессового ответа, показывая, что эти белки, по-видимому, «ощущают» стресс. Определяя, как функционирует сеть, Розенберг и её коллеги идентифицировали конкретные пути, через которые белки ощущают среду, и связали их с молекулярным механизмом, способствующим возникновению мутаций.
Результаты раскрывают ключевые факторы о клетках, например, что регуляторы стрессового ответа действуют как ключевые узлы сети. Большинство белков в сети имеют дело с тем, чувствует ли клетка стресс или нет.
«Клетка посвящает большое количество белков контролю процесса, который генерирует разнообразие. И большинство из них ощущают среду и связывают мутагенез со стрессом».
Они определили функцию примерно половины сети и работают над остальной частью.
«Это убедительное подтверждение регуляции мутагенеза стрессовыми ответами, который вызывает мутации именно тогда, когда клетки плохо адаптированы к своей среде — когда мутации могут позволить клетке адаптироваться», — заключила Розенберг.
Это также демонстрация того, что можно надеяться распутать большие белковые сети на конкретные биологические функции. Крупные белковые сети обнаруживаются во многих областях биологии, но часто трудно определить, какую роль белки играют в конкретных биологических процессах. Исследование Розенберг показывает, что, работая в обратном направлении от определённого молекулярного механизма, они смогли определить роли для более чем половины белков сети. Розенберг считает, что эта стратегия будет полезна для многих других белковых сетей.