Исследователи открывают новую модель «глобального» ремонта ДНК

Два исследования радикально меняют представление о том, как бактериальные клетки постоянно ремонтируют повреждённые участки (лезии) своей ДНК.

Работа, возглавляемая исследователями из Медицинской школы Гроссмана Нью-Йоркского университета, сосредоточена на уязвимости молекул ДНК к повреждениям реактивными побочными продуктами клеточного метаболизма, токсинами и ультрафиолетовым светом. Поскольку повреждённая ДНК может привести к вредным изменениям кода (мутациям) и гибели клетки, в процессе эволюции у клеток появились системы репарации ДНК. Однако ключевым нерешённым вопросом оставалось, как эти системы быстро находят редкие участки повреждений среди «огромных полей» неповреждённой ДНК.

Ранее считалось, что один важный механизм поиска — репарация, сопряжённая с транскрипцией (TCR), — зависит от РНК-полимеразы, крупного белкового комплекса, который движется вдоль цепи ДНК, считывая её код в процессе транскрипции инструкций в молекулы РНК. Также широко признавалось, что TCR играет относительно небольшую роль, поскольку опирается на предполагаемый TCR-фактор (Mfd), вносящий лишь маргинальный вклад в репарацию. Предполагалось, что большая часть ДНК сканируется и чинится независимым от транскрипции процессом — репарацией глобального генома (GGR). Оба процесса считались подготовительными этапами для эксцизионной репарации нуклеотидов (NER), при которой повреждённый участок ДНК вырезается и заменяется точной копией.

Два новых исследования, опубликованные 30 марта в журналах Nature и Nature Communications, на основе первого в своём роде многоэтапного анализа репарации ДНК в живых клетках E. coli пришли к выводу, что большая часть, если не вся NER, сопряжена с РНК-полимеразой, которая сканирует весь бактериальный генетический код на предмет повреждений.

«Наши результаты заставляют пересмотреть некоторые базовые теории в области репарации ДНК», — говорит старший автор исследования Евгений Нудлер.

Как было сделано открытие

Исследование в Nature использовало прорывную технологию — масс-спектрометрию сшивания (XLMS) — для определения расстояний между химически сшитыми белками и впервые определило взаимодействующие поверхности массивных комплексов NER и полимеразы в живых клетках. Эти данные были использованы в компьютерном моделировании для создания реалистичных структурных моделей.

Вопреки устоявшейся догме, исследование показало, что РНК-полимераза служит каркасом для сборки всего комплекса NER и является первичным сенсором повреждений ДНК. Оказалось, что ключевые ферменты NER, UvrA и UvrB, не находят большинство лезий самостоятельно, а доставляются к ним РНК-полимеразой. Этот фундаментальный процесс TCR не зависит от белка Mfd.

Второе исследование (Nature Communications) использовало высокопроизводительное секвенирование CPD-seq для отслеживания появления повреждений ДНК под воздействием УФ-света и скорости их репарации с разрешением до одного нуклеотида. CPD-seq показало, что подавление бактериальной транскрипции антибиотиком рифампицином останавливает репарацию во всём бактериальном геноме. Это свидетельствует, что NER тесно сопряжена с транскрипцией по всей бактериальной хромосоме.

Эксперименты также показали, что при повреждении ДНК бактериальные клетки подавляют действие белка Rho — глобального сигнала терминации, который говорит РНК-полимеразе остановить считывание. При ослаблении стоп-сигналов РНК-полимеразы продолжают движение, доставляя репарирующие ферменты к повреждениям ДНК в любой точке генома.

«Мы предполагаем, что эукариоты, включая человеческие клетки, также используют РНК-полимеразу для эффективной глобальной репарации, поскольку описанные бактериальные TCR-комплексы имеют аналоги у человека», — говорит соавтор исследования Биход Бхарати.

В дальнейшем команда планирует подтвердить наличие глобальной TCR в человеческих клетках и исследовать возможность безопасного усиления репарации для борьбы с болезнями старения.