Как раковые клетки восстанавливают повреждения ДНК от радиации нового поколения
Ученые под руководством доктора Кей-ичи Таката из Центра геномной целостности (CGI) Института фундаментальных наук (IBS) обнаружили новый механизм репарации ДНК, который раковые клетки используют для восстановления после радиационной терапии нового поколения.
Терапия ионизирующим излучением (IR) часто используется для лечения рака, разрушая клетки за счет индукции разрывов ДНК. Новейший тип использует излучение от ускорителя частиц, испускающего заряженные тяжелые частицы, например, ионы углерода, разогнанные до ~70% скорости света.
Эти ионы обладают высокой линейной передачей энергии (LET) и высвобождают большую её часть на коротком отрезке — пике Брэгга. Терапия фокусирует этот пик на опухоли, минимизируя повреждение окружающих здоровых тканей по сравнению с низко-LET излучением (гамма- или рентгеновские лучи).
Повреждения ДНК от облучения тяжелыми ионами (высокое LET) более «сложные», чем от традиционной терапии (низкое LET). Рядом с двухцепочечными разрывами (DSB) возникают дополнительные повреждения, такие как апуриновые/апиримидиновые (AP) сайты и тимингликоль (Tg), которые сложнее восстановить. Это делает терапию более цитотоксичной на единицу дозы.
Однако механизмы обработки таких повреждений в клетках млекопитающих изучены слабо, поскольку они редко встречаются в природе. Блокировка механизмов репарации в раковых клетках могла бы повысить эффективность терапии.
Для исследований команда использовала синхротрон HIMAC (Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba) в Японии, способный генерировать высоко-LET излучение. Подобные установки есть в Университете Йонсей, а ещё одна планируется в больнице Сеульского национального университета в 2027 году.
Ключевое открытие: роль POLQ
Команда обнаружила, что ДНК-полимераза θ (POLQ) играет ключевую роль в репарации сложных DSB, вызванных тяжелыми ионами. POLQ — уникальная полимераза, способная осуществлять соединение концов с помощью микрогомологий, а также транслезионный синтез (TLS) через AP-сайт и тимингликоль (Tg). Именно активность TLS оказалась биологически значимым фактором для репарации сложных разрывов.
«Мы предоставили доказательства, что TLS-активность POLQ играет критическую роль в восстановлении hiLET-DSB. Мы обнаружили, что POLQ эффективно отжигает и наращивает субстраты, имитирующие сложные DSB», — объясняет Сун Юбин, один из первых авторов.
Подавление экспрессии POLQ в раковых клетках значительно повысило их уязвимость к новому виду облучения.
«Мы показали, что генетическое нарушение работы POLQ приводит к увеличению хроматидных разрывов и повышению клеточной чувствительности после обработки высоко-LET излучением», — поясняет Йи Гыниль, другой первый автор.
Используя биохимические методы и флуоресцентный резонансный перенос энергии (FRET), команда выяснила, что белок POLQ может эффективно восстанавливать синтетические молекулы ДНК, имитирующие сложные DSB. Это делает POLQ потенциальной новой мишенью для лекарств, чтобы повысить уязвимость раковых клеток к сложным радиационным повреждениям.
«Наши результаты дают новое понимание механизмов репарации hiLET-DSB в клетках млекопитающих и дополнительно предполагают, что ингибирование POLQ может усилить эффективность терапии тяжелыми ионами», — отмечает профессор Таката.
Исследование опубликовано в Nucleic Acids Research 20 февраля 2023 года.