Исследование раскрывает, как клетки сдерживают теломеразу
Естественные концы хромосом тревожно похожи на разрывы ДНК, подобно тому как сломанную спагетти-нить трудно отличить от целой. Однако каждой клетке в нашем теле необходимо различать эти два случая, потому что лучший способ защитить здоровый конец хромосомы одновременно является худшим способом восстановить повреждённую ДНК.
Рассмотрим фермент теломеразу, ответственный за поддержание защитных теломер на естественных концах хромосом. Если бы теломераза "запечатала" разорванную цепь ДНК теломерой, это предотвратило бы дальнейший ремонт разрыва и удалило бы важные гены.
Новое исследование в Science описывает, как клетки избегают таких ошибок. Результаты показывают, что теломераза действительно может выйти из-под контроля, добавляя теломеры к повреждённой ДНК, и делала бы это, если бы не ATR киназа — ключевой фермент, реагирующий на повреждение ДНК.
"Теломераза — это хорошо, потому что она поддерживает наши теломеры, но действовать она должна только на естественных концах хромосом. Очень плохо, если она действует на двунитевых разрывах ДНК, потому что это может привести к потере всех генов за разрывом", — говорит Тития де Ланге. — "Этот вредный аспект теломеразы ингибируется ATR киназой, которая, среди многих своих талантов, также удерживает теломеразу подальше".
Это открытие может помочь оптимизировать методы CRISPR и проинформировать изучение рака.
Фермент против фермента
Один из первых намёков на то, что теломераза может — при отсутствии должного контроля — действовать на повреждённую ДНК, появился в 1990 году, когда исследование в Nature сообщило, что у пациента с α-талассемией на разорванном конце ДНК была добавлена теломерная ДНК. Но была ли теломераза виновником этой "дикой" теломеры и как здоровые клетки предотвращают это, оставалось неясным. Чарльз Кинциг, студент MD/Ph.D. в лаборатории де Ланге, изучил литературу на предмет похожих случаев и начал выяснять, является ли теломераза причиной.
Кинциг и коллеги сначала разорвали участки человеческой ДНК с помощью Cas9 (режущего компонента инструмента для редактирования генов CRISPR) и установили, что теломераза создаёт "неотеломеры" на разорванной ДНК. Установив, что теломераза движет формированием неотеломер, Кинциг начал исследовать различные молекулярные пути, чтобы определить, что в норме предотвращает вмешательство теломеразы в репарацию ДНК. В итоге он обнаружил, что нарушение сигналинга ATR киназы увеличивает образование неотеломер, и показал, что когда ATR активируется в местах разрывов ДНК, она не даёт теломеразе испортить ремонт.
"Это гонка между теломеразой и ATR", — говорит Кинциг. — "Теломеразе нужно, чтобы конец ДНК был "обгрызан" для формирования её одноцепочечного субстрата. Но в то же время именно одноцепочечная ДНК активирует ATR".
От CRISPR к раку
Результаты имеют непосредственное значение для исследователей и клиницистов, занимающихся CRISPR-редактированием генов. Кинциг и коллеги обнаружили, что теломераза может добавлять теломерную ДНК к концам ДНК, созданным во время CRISPR-редактирования. Это потенциально может привести к вставке теломерной ДНК или формированию теломеры в том месте, где планировалось редактирование. "Сообщество CRISPR теперь знает об этом и может принять меры для предотвращения этого нежелательного исхода", — сказала де Ланге.
В долгосрочной перспективе лаборатория планирует сосредоточиться на том, как эти выводы связаны с раком. Теломераза активирована в большинстве человеческих раковых опухолей, и считается, что это помогает раку поддерживать свои теломеры, фактически становясь бессмертным. Кинциг и де Ланге предполагают, что образование неотеломер может позволить раковым клеткам переносить процессы, генерирующие разрывы хромосом, такие как дефицит BRCA1. "Сейчас мы проверяем, действительно ли образование неотеломер помогает клеткам справляться с нестабильностью генома, которая мучает раковые клетки", — сказала де Ланге. — "Посмотрим. Многому ещё предстоит научиться".
Кинциг, тем временем, заканчивает своё медицинское образование и готовится к следующему шагу.
"Его диссертационное исследование было tour de force", — сказала де Ланге, — "отчасти потому, что он вторгся в область, в которой моя лаборатория никогда не работала".