Используя новый метод визуализации, ученые установили, что биологическая машинерия, ответственная за сборку ДНК, может встраивать в ее цепочку молекулы, поврежденные в результате воздействия окружающей среды. Такие поврежденные молекулы являются триггерами клеточной смерти, лежащей в основе нескольких заболеваний человека. Новое исследование дает возможное объяснение тому, как один из типов повреждений ДНК приводит к развитию рака, диабета, гипертонии, сердечно-сосудистых и легочных заболеваний и болезни Альцгеймера.

Используя новый метод визуализации, ученые из Национальных институтов здоровья (National Institutes of Health) установили, что молекулярная машинерия, ответственная за сборку ДНК, может встраивать в ее цепочку молекулы, поврежденные в результате воздействия окружающей среды. Такие поврежденные молекулы являются триггерами клеточной смерти, лежащей в основе нескольких заболеваний человека. В статье, опубликованной он-лайн в журнале Nature, дается возможное объяснение тому, как один из типов повреждений ДНК приводит к развитию рака, диабета, гипертонии, сердечно-сосудистых и легочных заболеваний и болезни Альцгеймера.

Чтобы определить, что ДНК-полимераза, фермент, ответственный за сборку нуклеотидов, или строительных блоков ДНК, встраивает в цепочку ДНК нуклеотиды со специфическим типом повреждений, исследователи использовали покадровую кристаллографию (time-lapse crystallography). Покадровая кристаллография – метод, позволяющий получать моментальные снимки протекающих в клетках биохимических реакций.

Руководитель исследования Сэмьюэл Вилсон (Samuel Wilson), MD, объяснил, что изученный им и его коллегами тип повреждений вызывается окислительным стрессом, или активным воздействием свободных молекул кислорода, образующихся в ответ на факторы внешней среды, такие как ультрафиолетовое облучение, особенности питания, химические соединения в красках, пластмассах и других потребительских товарах. По его словам, ученые и раньше предполагали, что ДНК-полимераза может встраивать в ДНК нуклеотиды, поврежденные дополнительным атомом кислорода.

«Если в цепочку ДНК встроен один из таких окисленных нуклеотидов, он не может образовать пару с противолежащим нуклеотидом, как это обычно происходит, что приводит к образованию разрыва в ДНК», – поясняет доктор Вилсон. «До нашей статьи никто не видел, как именно полимераза это делает, и не понимал, каковы возможные последствия».

Встроенный в ДНК ферментом ДНК-полимеразой (на рисунке большая серая молекула) поврежденный нуклеотид не способен
образовать пару с неповрежденным нуклеотидом другой цепочки, как это происходит в норме. В результате окисленный нуклеотид препятствует
репарации ДНК или вызывает разрыв обеих цепочек. Эти молекулярные события в конечном итоге могут привести к развитию многих заболеваний.
(Рис. Bret Freudenthal, NIEHS)

Доктор Вилсон и его коллеги увидели этот процесс в реальном времени, создав комплексы кристаллов из ДНК, полимеразы и окисленных нуклеотидов. Метод не только показал стадии встраивания поврежденного нуклеотида, но и то, что вновь образованная дефектная ДНК блокирует устранение разрыва механизмами своей репарации. Образовавшийся в ДНК разрыв предотвращает дальнейшее восстановление и репликацию ДНК или приводит к немедленному разрыву обеих цепочек.

Большое количество таких двухцепочечных разрывов смертельно для клетки и является стартовой точкой развития болезней. Однако, с точки зрения ученого, этот же феномен вселяет и определенную надежду онкологам, так как позволяет уничтожать раковые клетки.

«Одной из характерных особенностей раковых клеток является их предрасположенность к более выраженному, чем у нормальных клеток, окислительному стрессу», – комментирует Брет Фройденталь (Bret Freudenthal), PhD, ведущий автор статьи. «Раковые клетки противостоят этому, используя фермент, удаляющий окисленные нуклеотиды, которые в противном случае были бы встроены в геном ДНК-полимеразой. В исследованиях, проведенных другими группами, было установлено, что подавлением этого фермента можно добиться преимущественного уничтожения раковых клеток».

Вилсон и Фройденталь подчеркивают, что количество окисленных нуклеотидов в общем пуле нуклеотидов обычно находится под строгим контролем, но если они накапливаются и начинают количественно превосходить неповрежденные молекулы, ДНК-полимераза добавляет в цепочку все больше и больше дефектных молекул. Молекулы, подавляющие окисление, известные как антиоксиданты, снижают уровень окисленных нуклеотидов и могут помочь предотвратить некоторые из заболеваний.

Оригинальная статья

Uncovering the polymerase-induced cytotoxicity of an oxidized nucleotide