ДНК как Транссибирская магистраль

О повреждениях в ДНК и механизмах их восстановления рассказали новосибирские учёные, прокомментировавшие Нобелевскую премию по химии 2015 года.

 Лауреатами премии по химии за исследование механизмов репарации ДНК стали швед Томас Линдаль, работающий в Великобритании, и проводящие исследования на территории США американец Пол Модрич и учёный турецкого происхождения Азиз Санджар.

По мнению Ольги Лаврик, заведующей лабораторией биоорганической химии ферментов Института химической биологии и фундаментальной медицины (ИХБФМ) СО РАН, член-корреспондента РАН, для людей, которые работают в области молекулярной биологии, в области исследования механизмов репарации ДНК, — это очень волнующее событие. Эту премию на самом деле давно ждали.

 

— Учёные получили эту премию заслуженно, но существует гораздо больше претендентов на неё и механизмов репарации ДНК, поэтому это не последняя награда в данной области. По крайней мере, эта премия должна быть ещё получена по медицине, — считает эксперт. — Механизмы репарации ДНК — это ключевые механизмы, которые обеспечивают стабильность генома человека, и, помимо фундаментальной значимости (понимать, как сохраняется структура ДНК из поколения в поколение), их установление играет огромную роль в дальнейшей разработке лекарств  против раковых заболеваний, поскольку в ходе лечения нужно, напротив, механизмы репарации ингибировать.

Учёные, не прерывающие процесс работы

Ольга Лаврик рассказала подробно о вкладе каждого учёного. Пол Модрич открыл важный механизм, который называют мисматч-репарация. Он обеспечивает коррекцию ошибок, которые возникают при считывании структуры ДНК в ходе репликации. То есть ДНК-полимеразы иногда действуют ошибочно, считывание этой информации не всегда правильное. Как раз Модрич обратил внимание на это обстоятельство и открыл важнейший механизм.

Второй лауреат — Азиз Санджар — открыл систему удаления объёмных повреждений, которые возникают под действием ультрафиолетового облучения у бактерий.

— Он всю свою жизнь посвятил науке. Мне  приходилось наблюдать, как он участвует в конференциях: с докладом Азиз выходит в рабочем халате, чтобы потом быстро удалиться в свою лабораторию и продолжать эксперименты, не теряя времени, — описывает Ольга Лаврик.

Третий лауреат —  Томас Линдаль —  известный учёный, получил Нобелевскую премию за открытие нестабильности ДНК. Он первый обратил внимание на это, а раньше считалось, что нестабильной является только молекула РНК. Открыл механизм, сопротивляющийся оксидативному стрессу — действию кислородных радикалов, которые повреждают структуру ДНК, вызывая потерю оснований ДНК, кодирующих информацию, либо их модификацию.

— Линдаль как раз является открывателем этого фундаментального механизма, который необходим всем людям, поскольку в клетке ежедневно ДНК интенсивно повреждается за счёт оксидативного стресса, — отмечает Ольга Лаврик.

Чем опасен запах моря

О том, какими могут быть эти повреждения, рассказал коллега Ольги Лаврик Дмитрий Жарков, заведующий лабораторией геномной и белковой инженерии ИХБФМ СО РАН.

— Мы все живём в очень опасном мире, потому что фактически любой вдох приближает нас к смерти из-за того, что кислород — высокореакционное соединение, а мы в среднем на 60 % состоим из воды, которая тоже является высокореакционным соединением. Мы выходим на Солнце, ультрафиолетовая часть спектра повреждает ДНК в наших клетках. Наш поход на море — это ещё хуже, потому что тот самый замечательный запах моря — это бромистый метил, который тоже повреждает ДНК в наших клетках. В чашке кофе содержится 500 разных канцерогенов. Когда это начинаешь говорить, люди улыбаются, но масштаб проблемы не осознаётся, — поражает количеством новой информации учёный.

Дмитрий Жарков предложил представить ДНК одной клетки человека в виде Транссибирской железнодорожной магистрали, повреждения которой соответствуют одной поломке на каждые 100 метров. Поэтому без систем, которые бы поддерживали и защищали нашу генетическую информацию, наш геном, каждую секунду, мы не протянули бы долго.

Послевоенные поиски штаммов

Открытие репарации ДНК состоялось в 1949 году. После войны все активно искали новые штаммы бактерий и грибков, которые либо производили бы новые антибиотики, либо синтезировали бы уже известные антибиотики в большем количестве. Молодой в то время микробиолог Альберт Кельнер искал способы увеличения продуктивности производства стрептомицина и облучал культуры стрептомицетов ультрафиолетовым светом для того, чтобы получить мутанты.

— У него всё было плохо, потому что результаты не воспроизводились: в какой-то колбе растёт культура, а какой-то — нет. Он был человеком тщательным и скрупулёзным: всё записывал, как положено хорошему учёному, и в конце концов нашёл причину. Они выращивали культуры, погружая в тёплую стеклянную водяную баню: те, что были ближе к окну, облучались видимым светом и росли лучше. Кельнер сделал вывод, что в солнечном свете есть что-то, что запускает механизм, позволяющий бактериям исправлять повреждения, нанесённые им ультрафиолетом, — объясняет учёный.

То же самое, параллельно с Кельнером, на бактериофагах открыл Ренато Дульбекко, знаменитый вирусолог, который получил Нобелевскую премию в 1975 за работу над онкогенными вирусами.

Бактерии, воскресшие от фотовспышки

Система, которая была открыта, получила название фотореактивация. Один из нынешних нобелевских лауреатов (Санджар), когда ещё был аспирантом, сделал очень эффектный эксперимент: облучил бактерии ультрафиолетом в смертельной дозе (выживало меньше, чем одна из 10 тысяч клеток), а после этого фотографировал их со вспышкой. Одной миллисекунды вспышки было достаточно, чтобы 99 % бактерий были воскрешены. Очень небольшая доза интенсивного видимого света приводит к репарации подавляющего большинства всех индуцированных ультрафиолетом повреждений в ДНК бактерий. Он первым клонировал ген фотолиазы, то есть выделил ген, из которого потом этот белок можно получить в больших количествах.

— Он внёс ещё один вклад. Существует процесс темновой репарации (в темноте бактерии могут исправлять ультрафиолетовые повреждения, но медленнее и менее эффективно), а как он происходит — было непонятно. Были известны гены, которые за это отвечают, но не понятно, как они это делают. Санджар изобрёл метод, который в начале 80-х подхватили биохимики по всему миру для характеризации белков. Он показал, что они образуют комплекс, который осуществляет процесс, сейчас называемый эксцизионной репарацией нуклеотидов. Если у нас возникает ультрафиолетовое повреждение, то комплекс, который изучил Санджар, вырезает небольшой кусок, а этот разрыв потом заклеивается, — рассказывает Дмитрий Жарков.

У человека дефекты эксцизионной репарации нуклеотидов приводят к тяжелейшим заболеваниям: пигментная ксеродерма (родители, когда ребёнок родился, не знают о болезни, выносят первый раз на солнце, а он моментально покрывается волдырями, получает тяжелейшие солнечные ожоги), рак кончика языка, нейро-дегенеративные заболевания, проблемы в развитии.

Правильное и неправильное основания ДНК

Другая проблема, по мнению специалиста, заключается в том, что наши цепочки ДНК-полимеразы, ферменты, которые синтезируют новые цепочки ДНК, иногда делают ошибки. Редко (один раз на 10—100 тысяч включённых новых нуклеотидов), но их накапливается много, учитывая длину ДНК — 6 миллиардов пар нуклеотидов в клетке человека. Проблема в определении правильного и неправильного основания, одно из которых нужно удалить.

— Как раз Пол Модрич раскрутил всю эту систему — как это происходит. Были известны гены, которые отвечают за этот процесс у бактерии, но не было понятно, как работают белки. Тщательно вычистив эти белки, реконструировав всю систему, он обнаружил, что клетки метят материнскую цепочку ДНК, а дочернюю — нет.

Открытие, вычитанное в книге

Томасу Линдалю же не было изначально известно какого-то гена, он с самого начала открыл целую систему репарации. Поэтому его вклад Дмитрий Жарков считает наиболее значимым.

— Можно сказать, что открытие он сделал на кончике пера: так же, как был открыт Нептун, когда Урбен Леверье проанализировал орбиту Урана, увидел возмущения и сказал, что там должны быть планета. Линдаль прочитал книгу  Кочеткова и Будовского «Органическая химия нуклеиновых кислот», переведенную на английский язык. Будучи биологом, Линдаль, прочитав эту книжку, окончательно утвердился в своем предположении,о том, что ДНК — это молекула нестабильная. Проверил свою гипотезу опытным путём и обнаружил ферменты, которые репарируют ДНК, — поясняет учёный.

Болезней, которые вызываются дефектами в системе репарации оснований ДНК, практически никаких нет, обычно гибель происходит на ранних стадиях развития эмбриона.

Что происходит в ДНК за 10 минут

— Я говорил примерно 10 минут, за которые в клетках тела каждого человека произошло около семи квадриллионов повреждений. В каждом из нас за 70 лет происходит около 10 миллионов мутаций, то есть из семи квадриллионов примерно три остались и перешли в мутации, которые будут с вами до конца жизни, а остальные были исправлены системой репарации, — снова удивляет Дмитрий Жарков.

Система репарации настолько необычна, что задействована не только в защите ДНК, но и в модификации, например, участвует в генерации иммунного разнообразия и в эпогенетической регуляции, чтобы показать, какие гены читать, а какие — нет.

Опыт новосибирских учёных

Уникальным в России центром по изучению систем репарации как раз и является институт, в котором работают учёные. Существует три лаборатории, работающие в этом направлении.

— Лаборатория Дмитрия Олеговича занимается узнаванием повреждений, которые потом удаляются, лаборатория профессора Ольги Семёновны Фёдоровой занимается кинетическими аспектами этих процессов, — описывает опыт работы института Ольга Лаврик.

Лаборатория, которой руководит она, работает с полными ансамблями белков репарации оснований и удаления объёмных повреждений.

— Мы стремимся понять, как регулируются активность сложных белковых комплексов, которые обеспечивают исправление повреждений, вызываемые оксидативными стрессом и мутагенами из окружающей среды, — продолжает руководитель лаборатории. — В основном нами исследуются системы репарации у человека, потому что это наиболее перспективно для создания лекарств, противораковых препаратов. На данном этапе исследований нами выявлены специальные белки-регуляторы систем репарации ДНК. Кроме того, обнаружены механизмы, которые дополняют основные пути репарации. Клетка старается обеспечить абсолютную надёжность репарации, чтобы в случае сбоев с основным механизмом сработали дополнительные пути.

Кроме того, новосибирские специалисты занимаются разработкой ингибиторов и активаторов систем репарации как потенциальных лекарств. В разработке ингибиторов  лаборатория Ольги Лаврик активно сотрудничают с Институтом органической химии СО РАН с лабораторией профессора Н. Ф. Салахутдинова. Совместно учёные открыли перспективные ингибиторы, которые могут применяться в антираковой терапии. Сейчас ведутся доклинические испытания. То есть исследования в этой области проводятся на мировом уровне, но традиционно для российской науки в очень непростых, трудных условиях. Финансирование российских лабораторий несопоставимо с ведущими западными центрами.

— Кроме того, главная беда состоит в том, что покупка и доставка необходимых реактивов и оборудования, которое, кстати сказать, всё импортное, и в стране стоит почти в два раза дороже, чем в Европе, затягивается зачастую от нескольких месяцев до полугода. Это очень тормозит эффективность научных исследований. Держимся по-прежнему на энтузиазме.  Следует заметить, что проводимая реформа ни в какой мере не улучшила  организацию научного процесса.  Эти важные аспекты остаются полностью вне внимания реформаторов. Так что боюсь, что Нобелевской премии в России придётся ждать довольно долго, — обозначает основные проблемы Ольга Лаврик.

Фото: Ростислав Нетисов, www.images.myshared.ru, www.studfiles.ru

Мария Тищенко