16 июня 2019, воскресенье, 08:29
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.Дзен

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

Ремонт ДНК своими руками: руководство для клеток

Двойные спирали ДНК
Двойные спирали ДНК
Pixabay

Как уже неоднократно бывало в последние десятилетия, лауреаты Нобелевской премии по химии 2015 года могли бы получить премию и в области физиологии и медицины. В этому году премия присуждена за исследование репарации ДНК – механизмов устранения повреждений в этой молекуле. Лауреатами стали Томас Линдаль (Tomas Lindahl) шведский ученый, работающий сейчас в Институте Фрэнсиса Крика в Великобритании, американец Пол Модрич (Paul Modrich) из Медицинской школы Университета Дьюка и  Азиз Санджар (Aziz Sancar), гражданин Турции и США, который работает в Университете Северной Каролины.

Следует помнить, что в репарации ДНК задействовано большое количество клеточных механизмов, выяснением которых долгие годы занимается много ученых. Например, премия Ласкера в этом году тоже была присуждена за исследования в этой области, но другим ученым: Эвелин Уиткин и Стивену Элледжу. Есть немало и других исследователи, которые внесли свой вклад в понимание этих механизмов.

Способность устранить неполадки в ДНК жизненно важна для клетки. Причем этот ремонт клетка должна производить самостоятельно и непрерывно. Изменения в цепочке ДНК возникают в ней каждый день. Более того, согласно опубликованным в 2000 году данным, повреждение ДНК под воздействием факторов окружающей среды, а также происходящих в клетке процессов обмена веществ происходит с частотой от нескольких сотен до тысячи случаев в час. Может порваться одна или обе цепочки в двойной спирали, может возникнуть соединение цепочек, может оказаться поврежденным какой-то нуклеотид или несколько нуклеотидов. Причин таких поломок множество: ультрафиолетовое излучение, свободные радикалы, радиация, сбои во время удвоение ДНК при делении клетки.

К пониманию этого факта одним из первых пришел Томас Линдаль в начале 1970-х, тогда же он предположил, что раз в молекуле ДНК постоянно накапливаются дефекты, то должны существовать механизмы их устранения. Иначе живые организмы просто не смогут существовать. Линдаль начал искать ферменты, которые ремонтируют ДНК. Он делал это, используя ДНК бактерий. Первый такой фермент Томас Линдаль обнаружил в 1974 году, этот фермент используется для устранения повреждений нуклеотида цитозина. Цитозин – одно из слабых мест в молекуле ДНК, так как он сравнительно легко теряет аминогруппу, что приводит к изменению генетической информации. Если «нормальный» цитозин по принципу комплементарности образует в ДНК связи с гуанином, то поврежденный – с аденином. Если повреждение сохранится, то при следующем делении клетки, когда ДНК реплицируется, закрепится мутация, искажающая «генетический текст». Томас Линдаль сумел идентифицировать фермент, который удаляет поврежденный цитозин из бактериальной ДНК.

Вслед за этим последовали более 30 лет непрерывного поиска «ремонтных ферментов», которым Линдаль занимался сначала в Каролинском медицинском институте в Стокгольме, затем в Великобритании, исследовательском центре Imperial Cancer Research Fund  (с 2002 года – Cancer Research UK). В 1986 году он стал директором Clare Hall Laboratory. То, что Томас Линдаль с его постоянным интересом к механизмам репарации ДНК стал работать в исследовательских учреждения, посвященных изучению рака, неслучайно. Сейчас ученые полагают, что от 80 % до 90 % онкологических заболеваний связаны с нарушением механизмов репарации.

В итоге Томас Линдаль сумел обнаружить целый ряд ферментов, которые составляют класс ДНК-гликозилаз. Они распознают наличие в ДНК поврежденных азотистых оснований определенных типов и удаляют их, расщепляя связь этого основания с сахарофосфатным остовом молекулы ДНК. Затем вступают в дело другие ферменты. ДНК-полимераза синтезирует соответствующий участок цепочки ДНК вместо удаленного, а ДНК-лигаза сшивает цепочку. Данный вид ремонта ДНК получил название эксцизионная репарация (excision repair) от английского excision «вырезание». В 1996 году Томас Линдаль сумел воспроизвести в лаборатории процесс репарации ДНК человека.

С механизмом эксцизионной репарации связаны исследования Азиза Санджара. В 1970-х годах Санджар заметил любопытное явление: бактерии, получившие смертельную дозу ультрафиолетового излучения, выживают, если их осветить синим светом. Выяснение биохимической природы этого чудесного спасения бактерий стало предметом исследований Санджара в Техасском университете. В 1976 году он сумел клонировать ген, который отвечает за синтез фермента фотолиазы, восстанавливающего повреждения ДНК, нанесенные ультрафиолетом. Также Санджар сумел получить бактерий, которые усиленно продуцировали этот фермент. Как выяснилось, ДНК-фотолиаза действительно активируется видимым светом и использует для работы его энергию.

 

Репарация ДНК после повреждения ультрафиолетом - образец эксцизионной репарации

Увы, докторская диссертация Санджара, посвященная фотолиазе, тогда не вызвала особого интереса, и три его заявки на должность исследователя в разных университетах были отклонены. Тогда Азиз Санджар стал работать лаборантом в Медицинской школе Йельского университета. Там он смог продолжить свои работы по изучению того, как ДНК бактерий восстанавливается после ультрафиолетового облучения. Санджар и его коллеги поняли, что у бактерий есть две системы восстановления. Одна работает на свету (она основана на фотолиазе), а другая действует и в темноте. За несколько лет работы Санджар смог определить бактериальные ферменты, кодируемые тремя генами uvrA, uvrB и uvrC. Он экспериментально показал, как эти ферменты идентифицируют поврежденный участок ДНК, а затем делают два разреза в цепочке, удаляя кусок из 12-13 нуклеотидов, содержащий поврежденную часть. Затем в дело вступают уже упоминавшиеся ДНК-полимераза и ДНК-лигаза, достраивая недостающий фрагмент и сшивая цепочку.

После публикации своей работу в 1983 году Азиз Санджар был приглашен в Университет Северной Каролины, где продолжил исследования механизмов репарации. Параллельно с работами Томаса Линдаля он перешел от бактериальной ДНК к ДНК человека. Как оказалось, там функционируют пусть несколько более сложные, но в целом сходные механизмы. Специфический фермент определяет тот тип повреждения ДНК, за который он отвечает. Поврежденный участок вырезается, синтезируется участок на замену, затем разрезы зашиваются.

Третий лауреат, Пол Модрич, в начале своей карьеры исследовал ДНК-полимеразы и ДНК-лигазы, а в дальнейшем обратил внимание на другой класс ферментов, задействованных в репарации ДНК. Работа этих ферментов, получивших название ДНК-метилтрансферазы, заключается в присоединении метильной группы (CH3-) к цепочки ДНК. Как установил Пол Модрич, эти метильные группы могут служить указателями, помогающими другим ферментам разрезать цепочку ДНК в нужном месте. В дальнейних исследованиях Пол Модрич совместно с молекулярным биологом Мэтью Мезельсоном (Matthew Meselson) открыл особый механизм репарации ДНК – репарацию ошибочно спаренных нуклеотидов (DNA mismatch repair). Она требуется, когда в процессе удвоения ДНК при клеточном делении возникают неправильные пары нуклеотидов, например, аденин может соединиться с цитозином, а не с тимином. В этом случае клетке важно заменить именно ошибочно возникший нуклеотид, а не его напарника на соседней цепочке, который стоит на своем месте. Как установили ученые, здесь также используется метилирование ДНК. У большинства бактерий ошибочные нуклеотиды, как правило, содержатся на одной из двух цепочек ДНК – дочерней, которая была только что достроена. При этом исходная цепочка содержит присоединенные к ней метильные группы, а дочерняя пока неметилирована. Поэтому ее можно отличить, а дальше использовать уже известный механизм: вырезать, заменить, сшить.

 

Репарация ошибочно спаренных нуклеотидов у эукариот, большинства бактерий и у бактерии E. coli

Подробное исследование этого механизма заняло у Пола Модрича десять лет. В 1989 году он опубликовал статью, где было показано и подтверждено экспериментами, какие ферменты участвуют в исправлении ошибочно спаренных нуклеотидов.

Помимо описанных систем за последние годы открыты и другие способы репарации ДНК, используемые в живых клетках. Установлена связь нарушений в работе систем ремонта ДНК со многими формами рака. Как выяснили ученые, часто плохая работа систем репарции играет на руку раковым клеткам: они начинают значительно чаще мутировать, и по этой причине могут стать устойчивыми к химиотерапии. Но биологи научились использовать этот механизм и при разработке новых лекарств от рака. Если им удается подавить оставшиеся у раковых клеток механизмы репарации, это приводит к замедлению или полной остановке роста опухоли. Примеров такого лекарства – Olaparib, который ингибирует один из ферментов, задействованных в репарации ДНК.

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ Марс Металлургия Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Юпитер акустика антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты киты климатология комета кометы компаративистика космос культура лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод питание планетология погода политика право приматы психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство школа экология эпидемии эпидемиология этология язык Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса глобальное потепление грипп информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция финансовый рынок черные дыры эволюция эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: politru.edit1@gmail.com
Адрес: 129090, г. Москва, Проспект Мира, дом 19, стр.1, пом.1, ком.5
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2019.