Белок, сохранившийся в ходе эволюции, предотвращает слияние хромосом

Учёные из Института исследования рака в Лондоне и Университета Линчёпинга в Швеции выяснили, как клетки предотвращают ошибочное слияние своих хромосом. Два белка, TRF2 и RAP1, работают вместе, чтобы заблокировать процесс репарации, который в противном случае воспринимал бы естественные концы хромосом как повреждённую ДНК и пытался бы их «починить».

Образование комплекса TRF2–RAP1–DNA-PK предотвращает нежелательное слияние хромосом и помогает объяснить, как клетки млекопитающих поддерживают индивидуальность линейных хромосом. Без этого «тормоза» целые хромосомы склеивались бы конец в конец.

Каждая хромосома заканчивается областью под названием теломера. Они действуют как защитные колпачки, часто сравниваемые с пластиковыми наконечниками на шнурках, помогая клеткам отличать естественные концы ДНК от реальных повреждений. Когда ДНК разрывается в других частях генома, запускается процесс репарации, называемый негомологичным соединением концов (NHEJ), чтобы соединить фрагменты.

Один из ключевых ферментов в этом процессе — DNA-PK, который привлекает другие репарационные белки для «запечатывания» разрыва. Но на теломерах эту же систему репарации необходимо держать в стороне, иначе она может вызвать опасное слияние хромосом.

Предыдущие исследования показали, что белок TRF2 помогает формировать петлю на конце хромосомы, «пряча» теломеру внутрь, делая её менее заметной для репарационных механизмов. Другой белок, Apollo, помогает замаскировать теломеру так, чтобы она не распознавалась как повреждённая ДНК. Даже без Apollo и его одноцепочечного выступа DNA-PK всё равно не запускает обычный репарационный путь с участием LIG4, что указывало на существование ещё одного защитного механизма.

Нынешняя исследовательская группа обратила внимание на RAP1 — белок, встречающийся у многих видов и известный своим участием в работе теломер, но чья роль у млекопитающих была плохо изучена. У дрожжей известно, что RAP1 блокирует соединение концов на хромосомных концах. Может ли он делать что-то подобное в клетках человека?

В исследовании «Защита концов хромосом посредством ингибирования DNA-PK белком RAP1», опубликованном в Nature, учёные провели структурное и биохимическое исследование, чтобы определить, как TRF2 и RAP1 подавляют активность DNA-PK-опосредованного соединения концов на теломерах.

Для изучения функции RAP1 исследователи использовали клетки мыши и человека. Они удалили гены RAP1 и Apollo по отдельности и вместе, а затем посмотрели на реакцию хромосом. Передовые методы визуализации использовались для наблюдения за тем, как RAP1 физически взаимодействует с белками, участвующими в репарации ДНК.

В клетках мыши около 15% теломер были слиты, когда отсутствовали оба белка. В клетках человека этот показатель был ещё выше — до 30%. Повреждение зависело от репарационного фермента DNA-PK, что показало: обычный процесс репарации ошибочно активировался на концах хромосом.

Дополнительные эксперименты по визуализации и молекулярному анализу показали, как RAP1 взаимодействует с системой репарации. RAP1 связывается с DNA-PK таким образом, что физически блокирует его способность привлекать другого ключевого игрока — LIG4, необходимого для завершения репарации. Без LIG4 слияние терпит неудачу на последнем этапе.

Дальнейшие эксперименты показали, что когда RAP1 не может связаться с DNA-PK (из-за мутаций или отсутствия части белка), он больше не защищает теломеры, и хромосомы начинают сливаться. Когда исследователи восстановили способность RAP1 блокировать LIG4, защита вернулась.

Это открытие даёт детальное объяснение того, как хромосомы избегают ошибочного принятия за повреждённую ДНК. Механизм RAP1 как молекулярного привратника решает давнюю загадку устойчивости теломер.

Такая система безопасности может быть критически важна, когда другие защитные механизмы дают сбой, особенно в стареющих или подвергшихся стрессу клетках. Поскольку роль RAP1 консервативна у многих видов, это может быть древний защитный механизм, который предшествовал вовлечению Apollo в защиту теломер. Путь с участием одноцепочечного выступа Apollo и «заглушка» RAP1 действуют как параллельная стратегия безопасности, при которой хромосомы могут слиться, только если обе системы дадут сбой.