Исследователи из Университета Вандербильта, Университета штата Пенсильвания и Университета Питтсбурга обнаружили принципиально новый способ, с помощью которого происходит восстановление поврежденной ДНК.

Существует убеждение, что ДНК является стабильной и пассивной структурой, однако на самом деле она обладает высокой реакционной способностью. Обычно около одного миллиона оснований ДНК в клетках человека повреждены. Это связано с нормальной химической активностью внутри клетки, воздействием радиации и токсинов, включая промышленное загрязнение, табачный дым, токсины из продуктов и т.д.

Понимание взаимодействия протеинов и ДНК на атомном уровне может быть отправной точкой для разработки препаратов, которые управляют процессами нарушения или восстановления ДНК. Это поможет исцелить множество болезней, включая рак.

Обнаруженный американскими учеными новый механизм восстановления работает при алкилировании – нарушении структуры ДНК в результате воздействия алкилирующих средств. Воздействие токсинов и различных медицинских препаратов делает алкилированные основания ДНК неспособными к правильной репликации, а если повреждение происходит в пределах гена, то он часто перестает функционировать. Что еще хуже, существуют десятки различных видов алкилированных оснований ДНК, каждый из которых по-разному ведет себя при репликации.

Один из способов устранения повреждений ДНК у всех организмов является удаление поврежденного участка. Это происходит с помощью специальных ферментов – ДНК-гликозилазы. Они «путешествуют» вдоль молекулы ДНК и обнаруживают повреждения, после чего нарушают связь пар оснований и «вырезают» поврежденный фрагмент. Позже другие ферменты восстанавливают участок ДНК.

В клетках человека содержится фермент гликозилазы, названный AAG, который специализируется на ремонте алкилированных оснований. Ученые сосредоточились на изучении его бактериального аналога – AlkD.

Все известные гликозилазы работают в основном по одной схеме: выделяют поврежденное основание ДНК, удерживают его в специальном «кармане» и вырезают. Однако фермент AlkD ведет себя уникально: он вытягивает оба основания (поврежденное и соединенное с ним) из двойной спирали.

Подобным образом фермент действует только на поврежденные основания, которые имеют избыточный положительный заряд. Они очень неустойчивы и, если их оставить в покое, поврежденные основания отсоединяются сами. AlkD ускоряет этот процесс примерно в 100 раз и также может привлечь дополнительные ферменты для ремонта поврежденного участка ДНК.

AlkD имеет молекулярную структуру, которая значительно отличается от других известных связывающих ДНК белков и ферментов. AlkD по структуре может быть аналогичен другому классу ферментов, который называют ДНК-зависимая киназа. Это очень крупные молекулы, которые обладают небольшим активным центром, играющим важную роль в регуляции ответа клеток на повреждение ДНК. AlkD использует для захвата ДНК несколько палочковидных спиральных структур. Подобные структуры были обнаружены в той части ДНК-зависимой киназы, которая, как считалось, не отвечает за восстановление ДНК. Возможно, они играют дополнительную неизвестную пока роль в ремонте ДНК.

Восстановление ДНК может оказаться ключом к пониманию механизма работы ферментов, которые выявляют и устраняют мутагенные повреждения генома. Это было бы очень важным открытием, поскольку мутации копируются в дочерние клетки и таким образом распространяются. Создание методов управления «ремонтными» ферментами позволит излечить многие генетические болезни и серьезные повреждения организма радиацией, мутагенным химическим оружием вроде иприта, вирусами и другими факторами.

Для справки. Механизм цитотоксического действия алкилирующих средств обусловлен способностью части их молекул (дихлорэтиламин этиленимин и др.) взаимодействовать с нуклеофильными структурами ДНК, что приводит к алкилированию и нарушению ее структуры, стабильности и целостности. В конечном итоге алкилирование ДНК нарушает жизнедеятельность клеток, способность их к делению. Особенно выраженный цитостатический эффект проявляется в отношении быстропролиферирующих клеток. Возможно алкилирующие соединения действуют не только на нуклеиновые кислоты, но и способны угнетать некоторые ферменты, принимающие участие в клеточном делении.

По материалам: