РНК играет новую роль: ремонтирует серьёзные повреждения ДНК для поддержания генома

ДНК постоянно повреждается из-за факторов как внутри, так и вне организма. Особо тяжёлая форма повреждения — двунитевой разрыв, при котором разрываются обе цепи двойной спирали ДНК.

Двунитевые разрывы — один из самых сложных для ремонта видов повреждений ДНК, так как они нарушают её целостность и не оставляют неповреждённого шаблона для синтеза новых цепей. Если репарация происходит с ошибками, это может привести к другим мутациям, делающим геном нестабильным и повышающим риск многих заболеваний, включая рак, нейродегенерацию и иммунодефицит.

Клетки в основном ремонтируют двунитевые разрывы, либо воссоединяя концы разорванной ДНК, либо используя другую молекулу ДНК в качестве шаблона. Однако моя команда и я обнаружили, что РНК — тип генетического материала, известный своей ролью в синтезе белков, — неожиданно играет ключевую роль в облегчении репарации этих опасных разрывов.

Эти открытия могут не только проложить путь к новым стратегиям лечения генетических расстройств, рака и нейродегенеративных заболеваний, но и улучшить технологии генного редактирования.

Заполнение пробела в знаниях о репарации ДНК

Я провёл последние два десятилетия, исследуя связь между РНК и ДНК, чтобы понять, как клетки поддерживают целостность генома и как эти механизмы можно использовать для генной инженерии.

Долгое время в этой области оставался открытым вопрос: помогает ли РНК в клетках поддерживать стабильность генома помимо роли копии ДНК в процессе синтеза белка и регуляции экспрессии генов. Изучение этого было особенно сложным из-за сходства РНК с ДНК, её быстрой деградации и технических трудностей в определении, действует ли РНК напрямую или косвенно регулирует процесс. Традиционные модели и инструменты изучения репарации ДНК в основном фокусировались на белках и ДНК, оставляя потенциальный вклад РНК почти неисследованным.

Мы задались вопросом, может ли РНК активно участвовать в исправлении двунитевых разрывов в качестве первой линии защиты. Чтобы это выяснить, мы использовали инструмент генного редактирования CRISPR-Cas9, чтобы создать разрывы в определённых местах ДНК в клетках человека и дрожжей. Затем мы проанализировали, как РНК влияет на различные аспекты процесса репарации, включая эффективность и результаты.

Мы обнаружили, что РНК может активно направлять процесс репарации двунитевых разрывов. Она делает это, связываясь с разорванными концами ДНК, помогая выравнивать последовательности на комплементарной неповреждённой цепи. Она также может заполнять пробелы или удалять несовпадающие сегменты, дополнительно влияя на то, будет ли и как восстановлена исходная последовательность.

Кроме того, мы выяснили, что РНК помогает в репарации двунитевых разрывов как в дрожжевых, так и в человеческих клетках, что говорит об эволюционной сохранности её роли в репарации ДНК у разных видов. Примечательно, что даже низких уровней РНК было достаточно, чтобы повлиять на эффективность и исход репарации, что указывает на её широкую и ранее непризнанную функцию в поддержании стабильности генома.

РНК под контролем

Открыв ранее неизвестную функцию РНК в репарации повреждений ДНК, наши результаты показывают, как РНК может напрямую способствовать стабильности и эволюции генома. Это не просто пассивный посредник, а активный участник поддержания генома.

Эти знания могут помочь исследователям разработать новые способы воздействия на геномную нестабильность, лежащую в основе многих заболеваний, включая рак и нейродегенерацию. Традиционно лечение и инструменты генного редактирования фокусировались почти исключительно на ДНК или белках. Наши данные предполагают, что модификация РНК различными способами также может влиять на реакцию клеток на повреждение ДНК. Например, можно разработать терапии на основе РНК для усиления репарации опасных разрывов, способных вызвать рак, или селективного нарушения репарации разрывов ДНК в раковых клетках, чтобы помочь их уничтожить.

Кроме того, эти открытия могут повысить точность технологий генного редактирования, таких как CRISPR, за счёт учёта взаимодействий между РНК и ДНК в месте разреза. Это может снизить нецелевые эффекты и повысить точность редактирования, в конечном итоге способствуя разработке более безопасных и эффективных генной терапии.

Остаётся много нерешённых вопросов о том, как именно РНК взаимодействует с ДНК в процессе репарации. Эволюционная роль РНК в поддержании стабильности генома также неясна. Но одно можно сказать наверняка: РНК больше не просто посредник, это молекула, которая напрямую участвует в репарации ДНК, переписывая представления исследователей о том, как клетки защищают свой генетический код.