Исследователи изучили тонкости гомологичной рекомбинации и аномальных хромосомных мостов

Сохранение целостности генетической информации в геномной ДНК во время клеточного цикла критически важно для почти всех форм жизни. Обширные повреждения ДНК неизбежно вызывают различные неблагоприятные геномные перестройки, которые в лучшем случае могут привести к гибели клетки, а в худшем — к возникновению таких заболеваний, как рак.

К счастью, клетки всех трёх доменов жизни имеют общий безошибочный механизм сохранения генетической информации, известный как гомологичная рекомбинация (HR).

Процесс HR запускается, когда клетка сталкивается с повреждением ДНК во время или после её синтеза, инициируя каскад событий. Повреждённая ДНК сначала подвергается резекции (разрезанию), чтобы создать одноцепочечные концы вблизи места повреждения. Затем эти концы сопоставляются с соответствующим участком в доступной реплицированной хромосоме, также известной как «сестринская хроматида», которая используется в качестве матрицы для репарации повреждённой ДНК.

Как и следовало ожидать, путь HR включает множество белков и клеточных механизмов. Хотя большинство из них хорошо изучены, некоторые остаются загадочными. К таким относятся регуляторы белка RAD51, ответственного за репарацию двунитевых разрывов ДНК.

В норме RAD51 формирует филаменты, которые помогают стабилизировать репликационные вилки — транзиентные структуры ДНК, часто возникающие во время репликации, например, при коллапсе вилки. Правильная регуляция RAD51, а также деградация этих филаментов после выполнения их функции, необходимы для HR.

Однако точные механизмы, с помощью которых аномальное накопление RAD51 приводит к генетической нестабильности, до конца не понятны, и многие позитивные и негативные регуляторы RAD51 остаются неизвестными.

В недавней статье, опубликованной в Nucleic Acid Research 10 апреля 2024 года, исследовательская группа под руководством профессора Мики Шинохары с факультета передовых бионаук Университета Киндай (Япония) изучила тесную взаимосвязь между RAD51 и одним из его ключевых регуляторов — белком FIGNL1. Соавтором исследования выступил Кеничиро Мацузаки с того же факультета.

Сначала исследователи с помощью метода CRISPR/Cas9 создали генетически модифицированные клетки человека, не экспрессирующие FIGNL1 (клетки FIGNL1 KO). Затем, используя передовые методы иммунофлуоресценции с тщательно подобранными антителами и флуоресцентную микроскопию, они визуализировали процесс HR в деталях, выискивая признаки аномалий.

Комбинируя этот подход с множеством других экспериментальных процедур, таких как вестерн-блоттинг, анализ клеточного цикла, белковые анализы, а также геномный и транскриптомный анализы, им удалось получить полную картину того, что происходит в клетке при отсутствии FIGNL1.

Результаты показывают, что FIGNL1 является высокоспециализированным ферментом, разбирающим филаменты RAD51, который необходим для правильного разделения хромосом после «разборки» репликационных вилок.

Более конкретно, когда филаменты RAD51 не полностью разбираются, во время митоза происходят аномальные события, приводящие к образованию неразрешённых промежуточных структур. Это, в конечном итоге, приводит к формированию так называемых «хромосомных мостов» между сестринскими хроматидами. Эти ультратонкие структуры крайне вредны для нормальной работы клетки, вызывая распространение катастрофической генетической информации.

Понимание тонких деталей пути HR, его ключевых игроков и множества субпроцессов чрезвычайно важно не только с биологической, но и с медицинской точки зрения.

«Гибель клеток из-за дисрегуляции HR — важный механизм, посредством которого противораковые препараты проявляют цитотоксичность специфично к раковым клеткам, — объясняет профессор Шинохара. — До сих пор основной мишенью был дефицит активации HR, но результаты этого исследования показывают, что и персистентная активация RAD51 также проявляет цитотоксичность и может быть молекулярной мишенью для противораковых препаратов».

Кроме того, клеточные механизмы, задействованные в пути HR, могут быть использованы как мощный инструмент биоинженерии.

«HR — хорошо консервированная система среди большинства видов, и она также тесно связана с технологиями генной модификации, такими как редактирование генома и технологии генного таргетирования, — комментирует профессор Шинохара. — Таким образом, выяснение механизмов, контролирующих активность рекомбиназ, таких как RAD51, может способствовать повышению эффективности методов генной модификации».

Стоит отметить, что генная инженерия — высокоэффективный путь для повышения урожайности сельскохозяйственных культур и адаптации микроорганизмов для таких задач, как биоремедиация, что решает различные проблемы современного мира.

В целом, результаты этого исследования не только проливают свет на универсальный биологический процесс, но и прокладывают путь к лучшему пониманию клеточных механизмов для важных открытий в области лекарств и прогресса в сфере генной инженерии.