Противосудорожный препарат может изменять конформацию ДНК и взаимодействовать с белками хромосом

Результаты недавних исследований вальпроевой кислоты, десятилетиями применявшейся как противосудорожный препарат, показывают, что она может взаимодействовать с конформацией ДНК и регулировать экспрессию генов.

Эти ключевые выводы получены в проекте под руководством биолога Марии Луизы С. Мелло из Университета Кампинаса (UNICAMP) в штате Сан-Паулу, Бразилия, при участии Бенедикто де Кампоса Видаля, заслуженного профессора кафедры структурной и функциональной биологии Института биологии.

Группа изучает функции вальпроевой кислоты, или вальпроата натрия (VPA), более десяти лет и продемонстрировала действие соединения на экспрессию генов, связанных с диабетом, в клеточных моделях.

Её взаимодействие с ДНК описано в статье, опубликованной в International Journal of Biological Macromolecules. Исследование было частью тематического проекта, поддержанного FAPESP. «Выяснение механизмов действия препарата важно, потому что оно прокладывает путь для новых фармацевтических исследований», — сказала Мелло.

Изменения в гистонах и ДНК

Эпигенетическое действие VPA — её способность влиять на экспрессию генов, не изменяя ДНК субъекта, — уже было хорошо известно. «В 2017 году иранские исследователи выдвинули возможность механизма действия, который был не только эпигенетическим, но также включал прямое взаимодействие со структурой гистона H1», — сказала Мелло. «Поэтому мы решили изучить, как гистоны и сама ДНК реагируют на VPA». Гистоны — это белки клеточного ядра и ключевые компоненты хроматина, вещества хромосом. Они состоят из ДНК, плотно намотанной вокруг гистонов.

Группа протестировала образцы, содержащие смеси VPA-ДНК и VPA-гистон. Они проанализировали взаимодействия между H1, H3 и VPA с помощью высокопроизводительной поляризационной микроскопии и инфракрасной микросъемки с преобразованием Фурье, используя оборудование, ранее приобретенное FAPESP для Кампоса Видаля.

«Образцы с ДНК, гистонами и VPA сначала анализировали под поляризационным микроскопом, а затем под инфракрасным микроспектроскопом», — сказала Мелло. Этот тип измерения, выполняемый со спектроскопом, подключенным к специальному микроскопу, дает спектральную сигнатуру молекулярной структуры — графическую запись того, как организованы молекулы.

График сигнатуры показывает кривые с пиками и впадинами. «Частота пиков указывает на определенную химическую группу», — сказала Мелло.

Затем группа сравнила организацию гистонов и ДНК с VPA и без нее. «Мы обнаружили, что VPA может вызывать изменения в конформации, или пространственном расположении, двух интересующих гистонов, H1 и H3. Кроме того, мы наблюдали изменения в суперструктуре ДНК и молекулярном порядке», — сказала она. Следующим шагом будет подтверждение, происходит ли этот эффект также в клетках, обработанных VPA in vitro.

Экспрессия опухолевых генов

Помимо этого открытия, в рамках магистерского исследования Марины Аморим Роша в декабре 2019 года группа опубликовала в Scientific Reports еще одно важное открытие об эпигенетическом действии VPA в культивируемых в лаборатории клетках HeLa, полученных из клеток рака шейки матки человека. Фокусом исследования был конкретный вид эпигенетического изменения, известный как метилирование ДНК.

Метилирование происходит, когда метильная группа (CH₃) добавляется к положению углерода 5 в азотистом основании цитозине ДНК. «Когда это происходит в промоторе гена, функционирование самого гена изменяется», — объяснила Мелло. Если крупномасштабное метилирование происходит в промоторе гена-супрессора опухоли, например, ген может стать неактивным и перестать выполнять свою функцию.

Процесс можно манипулировать, пассивно, ингибируя фермент, участвующий в метилировании, или активно, через недавно открытый путь. «В этом случае группа ферментов из семейства TET позволяет этим метилированным цитозинам превращаться в другие производные молекулы, пока деметилирование не будет завершено», — сказала Мелло.

В своем исследовании ученые UNICAMP обнаружили, что механизм, индуцированный VPA в клетках HeLa, был преимущественно, но не исключительно, активным. «Он также действует через пассивный путь, и это открытие может повысить экспертизу ученых, занимающихся разработкой лекарств», — сказала Мелло. Другими словами, тот факт, что соединение снижает метилирование в культивируемых клетках во время стационарной фазы жизненного цикла, предполагает, что в будущем его можно будет тестировать как кандидата для обращения вспять этого процесса в клетках, которые перестали делиться.