ДНК в тупике: клетки устраняют сбои, чтобы предотвратить мутации

Примерно 6 футов ДНК упакованы в каждую человеческую клетку, поэтому неудивительно, что наш генетический материал иногда складывается в причудливые структуры, такие как шпильки, кресты и листья клевера. Однако эти структуры могут блокировать копирование ДНК во время деления клетки, что приводит к генным мутациям, потенциально значимым для рака и старения.

Исследователи из Принстонского университета обнаружили доказательства, что клетки обладают встроенной системой для устранения одного из самых проблемных таких «заторов» — структуры, известной как G-квадруплекс. В статье, опубликованной в Nature, группа под руководством Вирджинии Закиан сообщила, что фермент Pif1-хеликаза способен разворачивать эти структуры как в пробирке, так и в клетках, возобновляя репликацию ДНК.

Поскольку мутации в Pif1 связаны с повышенным риском рака молочной железы, изучение того, как Pif1 обеспечивает правильную репликацию ДНК, может иметь значение для здоровья человека.

Большая часть ДНК состоит из двух цепей, скрученных в виде спиральной лестницы. При каждом делении клетки каждая молекула ДНК должна быть дублирована. Этот процесс включает расплетание спирали, чтобы фермент ДНК-полимераза мог пройти по каждой цепи, копируя каждый «буквенный» код. В этот период одноцепочечные участки могут сворачиваться в G-квадруплексы.

Как автомобиль, наткнувшийся на затор на шоссе, ДНК-полимераза останавливается при встрече с G-квадруплексом. ДНК, свернутая в G-квадруплекс, не может быть реплицирована и, по сути, пропускается. Неспособность скопировать определенные области ДНК — серьезная проблема, особенно в регионах, контролирующих гены, подавляющие или способствующие раку.

В прошлом году группа Закиан в сотрудничестве с генетиками из Университета Вашингтона сообщила, что мутация в человеческом Pif1 связана с повышенным риском рака молочной железы (PLoS One). Это говорит о том, что способность разворачивать G-квадруплексы может быть важна для защиты от рака.

G-квадруплексы также могут быть вовлечены в процесс старения. Считается, что они образуются на концах хромосом в областях, называемых теломерами. Поврежденные или укороченные теломеры связаны с преждевременным старением и раком.

Чтобы изучить роль Pif1-хеликаз в работе с G-квадруплексами, исследователи очистили Pif1-хеликазы из дрожжей и бактерий. В пробирке все они разворачивали G-квадруплексы чрезвычайно быстро и эффективно — гораздо лучше, чем другие протестированные хеликазы.

В эксперименте внутри клеток исследователи обнаружили, что нормальные клетки не испытывали проблем при добавлении структуры G-квадруплекса. Однако в клетках, лишенных Pif1-хеликаз, G-квадруплекс вызывал высокую степень нестабильности генома.

Самый замечательный аспект исследования — демонстрация того, что Pif1-подобные хеликазы, взятые у видов от бактерий до человека и помещенные в дрожжевые клетки, могут подавлять повреждение ДНК, индуцированное G-квадруплексом. Это говорит о том, что разрешение G-квадруплексов является эволюционно консервативной функцией Pif1-хеликаз.

Лаборатория Закиан также обнаружила, что репликация через G-квадруплексы в отсутствие Pif1-хеликаз приводит не только к мутациям ДНК в месте G-квадруплекса, но и к интригующим «эпигенетическим» эффектам на экспрессию близлежащих генов, которые были совершенно неожиданными.

Выдвинута гипотеза, что эпигенетическое подавление экспрессии генов, происходящее рядом с G-квадруплексами в отсутствие Pif1, является результатом добавления или удаления молекулярных меток на гистонах — белках, связывающих ДНК и регулирующих экспрессию генов. Эта гипотеза в настоящее время изучается.