Поиск - новости науки и техники

Вариации репарации. На что способен наш геном?

12.10.19

Знаете ли вы, что в геноме одной человеческой клетки возникают более 20 тысяч повреждений в день? Все это ведет к развитию различных заболеваний и преждевременному старению. Сразу же хочется абстрагироваться от такой неприятно впечатляющей информации и настроиться на хорошее. Может, в этом и есть резон. Можно ли как-то предотвратить такое неприятное явление? Ведущий научный сотрудник, доктор химических наук Никита КУЗНЕЦОВ из Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН занимается физико-химическим анализом процесса удаления поврежденных участков из геномной ДНК человека, так что надежда на улучшение ситуации есть, тем более что молодой ученый получил поддержку в виде гранта Президента РФ. «Поиск» вник в тонкости геномной кухни, узнав немало интересного.
– Никита Александрович, поясните, пожалуйста, что такое геномная ДНК?
– Это ДНК, которая является частью генома и имеет такие функции, как хранение информации и ее передача из поколения в поколение. Например, геномная ДНК человека разделена на 22 хромосомы, которые представлены в двух копиях, и две половые хромосомы X и Y. В совокупности это 46 гигантских молекул ДНК, содержащих около 3,2 миллиарда пар оснований – нуклеотидов (аденин, гуанин, цитазин, тимин), которые играют роль своеобразных букв при записи наследственной информации. Последовательность нуклеотидов в цепи ДНК кодирует информацию о конкретном организме, начиная от цвета глаз и заканчивая уровнем активности всех ферментов в каждой клетке. Таким образом, жизнь любого организма зависит от бесперебойного и стабильного функционирования процессов жизнедеятельности, которые на молекулярном уровне обеспечиваются ферментативными системами, а сами ферменты закодированы в геномной ДНК.
– Какие бывают повреждения в ДНК и почему они возникают?
– В геноме одной клетки человека спонтанно происходят более 20 тысяч повреждений в день, то есть около 15 в минуту. Кроме того, все время увеличиваются факторы, оказывающие негативное влияние на организм человека. Это повышающийся уровень загрязнения окружающей среды, ультрафиолетовое и ионизирующее излучение, действие токсических веществ. Все они приводят к дополнительному увеличению числа повреждений.
С химической точки зрения, повреждение – это химическая модификация каких-либо участков в молекуле ДНК. Окисление, алкилирование, дезаминирование, апуринизация, апиримидизация, образование разрывов – это неполный спектр процессов, которые приводят к повреждению. Какие бы химические термины мы ни использовали, по сути, повреждение ДНК – это то, что приводит к нарушению того самого кода, с помощью которого генетическая информация реализуется в организме. Поэтому повреждение ДНК и накопление мутаций в процессе жизни приводят к преждевременному старению, ускоренному развитию дегенеративных процессов организма, опухолевой трансформации клеток и широкому ряду сердечно-сосудистых, нейродегенеративных и онкологических заболеваний.
– Существует ли у организма какая-нибудь защита и как бороться с повреждениями ДНК?
– Чтобы противостоять процессам повреждения, каждый живой организм использует специализированную систему защиты геномной ДНК (систему репарации). Она состоит из десятков ферментов, устраняющих все возможные повреждения. Например, в некоторых случаях для того, чтобы справиться с одной поломкой, требуется действие четырех разных ферментов. Нарушение их функционирования ослабляет защиту организма в борьбе с повреждениями ДНК и значительно ускоряет появление проблем, связанных с накоплением мутаций в геноме.
Каждый конкретный организм имеет свои индивидуальные особенности активности защитных ферментов, которые могут быть связаны с так называемыми однонуклеотидными полиморфизмами в генах популяции организмов. Любой ген в популяции людей представлен определенной последовательностью нуклеотидов, однако у некоторых в этом гене могут появляться отличия от общей последовательности, которые и называются полиморфизмом.
По сути, полиморфизм – это мутация в гене, которая может привести к возникновению аминокислотной замены в продукте этого гена. Таким образом, в данном организме будет производиться уже мутантный фермент, который может работать хуже. Действительно, в последнее время появляются данные о взаимосвязи таких мутантных ферментов с возникновением некоторых онкологических заболеваний.
– Как вы проводите физико-химический анализ этого процесса удаления?
– В рамках работ по гранту Президента России для молодых ученых мы проводим анализ активности некоторых природных полиморфных вариантов ферментов репарации при взаимодействии друг с другом и с поврежденной ДНК. Одна из особенностей изучаемых ферментов – структурные перестройки фермента и ДНК, которые вызваны необходимостью адаптировать активный центр к специфическому для данного фермента повреждению.
Наша работа связана с регистрацией и анализом этих структурных перестроек. Задача достаточно трудная и требует применения широкого спектра методов исследования и различных подходов. Поскольку взаимодействие происходит в очень короткие промежутки времени, начиная от миллисекунд, то требуются специальные методы для регистрации быстропротекающих реакций.
Отдельный вопрос, которому уделяется большое внимание, связан со способами регистрации таких структурных изменений: как правило, мы используем оптические методы детекции. Математический анализ данных позволяет построить молекулярно-кинетическую модель процесса взаимодействия и установить наиболее важные стадии, обеспечивающие специфичность фермента.
В целом такая работа позволит глубже понять механизмы белково-нуклеинового и белок-белкового взаимодействия в процессе удалении конкретного повреждения из ДНК, а также влияния на эти взаимодействия природных аминокислотных замен, вызванных однонуклеотидными полиморфизмами.
– Есть ли какие-то практические результаты вашей работы? Вы готовы что-то предложить медикам?
– В нашей лаборатории, которую возглавляет профессор Ольга Семеновна Федорова, уже разработана и запатентована чувствительная система регистрации активности одного из ферментов репарации человека – АР-эндонуклеазы. Мы решили с ее помощью проанализировать активность природных полиморфных вариантов фермента. Для этого провели анализ потенциальной важности всех природных замен у этого фермента, а их около 1600. На основании такого анализа отобрали несколько вариантов для экспериментальной проверки их активности.
– Каким вы видите итог этих исследований?
– Цель работы в рамках гранта Президента РФ достаточно простая – установить отличия в эффективности удаления повреждения природными полиморфными вариантами АР-эндонуклеазы человека. Но она требует решения нескольких конкретных задач. Например, нужно выбрать оптимальную модельную систему ДНК-субстратов, содержащих и повреждение, и специальную «метку», необходимую для регистрации структурных перестроек, – флуорофор. Надо также получить препараты ферментов, проанализировать кинетические данные, характеризующие конформационные изменения фермента и поврежденной ДНК.
Мы доказали, что эффективность некоторых полиморфных вариантов снижена на 30% относительно фермента, не содержащего замены. Это существенное уменьшение, так как, согласно литературным данным, потеря активности АР-эндонуклеазы несовместима с жизнью, доказано, что «нокаут» мышей (удаление гена) вызывает эмбриональную смерть.
Таким образом, применяя результаты этой работы к другим, еще не изученным полиморфным вариантам, можно заключить, что среди людей есть представители с ослабленной репарационной функцией. Им крайне нежелательно работать на химически вредных производствах, например, связанных с ионизирующим излучением. Более того, возможно, кому-то даже следует воздерживаться от сильного загара на солнце, так как в этот момент организм получает достаточно большую дозу ультрафиолетового облучения.
Нам также удалось усовершенствовать тест-систему по определению активности некоторых ключевых ферментов репарации. Мы проверили ее работоспособность на лабораторных клеточных линиях, а также клетках крови человека. Наши последние результаты показали перспективность использования этого подхода для быстрого определения уровня репарационной активности у конкретного человека.

Фирюза ЯНЧИЛИНА

Нет комментариев