Новый взгляд на то, как продукты генов, вызывающих пигментную ксеродерму, обеспечивают точность репарации ДНК

Наша геномная ДНК постоянно повреждается эндогенными факторами, такими как активные формы кислорода, а также факторами окружающей среды, такими как ультрафиолет, радиация и химические вещества. Неспособность восстановить поврежденную ДНК может привести к мутациям и гибели клеток, что в конечном итоге ведет к развитию рака и других заболеваний. Чтобы предотвратить это, наши клетки оснащены различными защитными системами, предназначенными для поиска и репарации поврежденной ДНК.

Эксцизионная репарация нуклеотидов (NER) — важный механизм восстановления разнообразных повреждений ДНК, вызванных ультрафиолетом и химическими канцерогенами. У многих пациентов с диагнозом пигментная ксеродерма (XP) есть мутации в одном из генов, кодирующих белки, участвующие в механизме NER. Известно, что их высокая восприимчивость к раку кожи, вызванному ультрафиолетом, в частности, обусловлена дефицитом функции NER. Это также говорит о том, что NER служит защитой от рака.

Первый шаг NER включает белок XPC, один из нескольких продуктов генов, вызывающих XP, который действует как «сенсор» для обнаружения аномалий в структуре ДНК. XPC потенциально может работать с широким спектром повреждений ДНК, но также связывается с участками ДНК без каких-либо повреждений, например, с неспаренными основаниями. Поскольку ненужные реакции репарации в таких неподходящих местах могут увеличить риск неблагоприятных мутаций, крайне важно проверить, есть ли повреждение, которое необходимо устранить. Хотя ранее было показано, что базальный фактор транскрипции TFIIH и белок XPA играют роль в таком этапе верификации повреждения, до сих пор подробный механизм оставался неясным.

Следуя известным этапам реакции в процессе NER, исследователи в работе, опубликованной в Nature, подготовили серию комплексов, содержащих поврежденную ДНК, последовательно связанную с XPC, TFIIH и XPA, которые затем были исследованы с помощью криогенной электронной микроскопии для детального анализа их молекулярных структур. TFIIH — это крупный белковый комплекс, состоящий из семи субъединиц, включая белки XPB и XPD, который играет ключевую роль как в NER, так и в транскрипции (экспрессии генов). Обычно он имеет U-образную «подковообразную» структуру, причем белки XPB и XPD расположены на концах двух его открытых «рук».

Эта подковообразная структура сохранялась в комплексе ДНК–XPC–TFIIH, при этом XPB был связан с XPC в месте повреждения, а XPD не взаимодействовал ни с ДНК, ни с XPC. Однако, когда в процесс был вовлечен XPA, TFIIH претерпел серьезное конформационное изменение. Две открытые «руки» подковы сомкнулись, образовав кольцевидную структуру, а XPB отошел от места повреждения, что позволило XPD связаться с ДНК между ними.

Как же это молекулярное расположение затем проверяет наличие повреждения ДНК? Известно, что XPB функционирует как «ДНК-транслоказа», которая связывается с дуплексом ДНК и движется вдоль одной из цепей. Основываясь на вновь установленной структуре комплекса, было предположено, что XPB должен двигаться вдоль ДНК от места повреждения. Однако, поскольку он ограничен другими белками, сам XPB фактически не может двигаться. Вместо этого дуплекс ДНК движется в противоположном направлении. Другими словами, XPB проталкивает ДНК в комплекс.

Поскольку структура показала, что часть XPA вставлена между двумя цепями ДНК позади XPB, ожидалось, что она будет разъединять дуплекс ДНК на одноцепочечные нити, как расстегивается молния. Кроме того, также было известно, что XPD связывается с одноцепочечной ДНК и движется вдоль нее в определенном направлении (5'→3').

Из двух цепей ДНК, разделенных XPB и XPA, XPD связывается с поврежденной. Однако, как и в случае с XPB, сам XPD не может двигаться, поэтому поврежденная цепь аналогичным образом втягивается в комплекс. При связывании с одноцепочечной ДНК в XPD формируется узкое отверстие, через которое проходит цепь ДНК. Следовательно, если на цепи ДНК есть объемное повреждение, эта часть застрянет у входа в XPD, и движение цепи остановится (как завязанная нить, которая не может пройти через игольное ушко).

Таким образом, настоящее исследование успешно раскрыло механизм, с помощью которого проверяется наличие повреждения ДНК: решение о продолжении реакции репарации принимается при блокировке движения цепи ДНК через XPD. Фактически, предыдущие исследования показали, что необъемные повреждения ДНК (отрыв основания и т.д.), которые, как можно предположить, могут пройти через отверстие XPD, не являются мишенью для процесса репарации NER.

Текущее исследование прояснило, какие части белков, таких как XPA, XPB и XPD, участвуют в процессе NER для восстановления поврежденной ДНК, а также их механизм действия. По мере углубления нашего понимания негативного влияния на репарационный ответ, возникающего из-за структурных изменений, вызванных патогенными вариантами этих белков у пациентов с XP, также может появиться возможность поддержать будущую разработку лекарств и других методов лечения.