Сегодня в Стокгольме Нобелевский комитет объявил лауреатов самой престижной научной премии по химии, ими стали Томас Линдаль, Пол Модрич и Азиз Санджар. Как и в прошлом году, исследование номинантов оказалось тесно связано с миром живой природы. Формулировка, с которой была вручена премия, гласит «за исследование механизмов репарации ДНК». Трое исследователей получили свои премии за обнаружение трех различных способов исправления ошибок, которые возникли в клетках наших организмов. Рассказывая о лауреатах, председатель Нобелевского комитета по химии, Сара Сногеруп Линсе, начала с того, что ошибки в важнейшей для нашего существования молекуле происходят постоянно. Мы решили разобраться с тем, что же это за ошибки и как с ними борется клетка.

Начать стоит с краткого описания структуры ДНК. Эта молекуласостоит из двух цепей, на каждой из которых находятся специальные азотистыеоснования. Основа цепочки — молекулы сахаров, связанные между собой фрагментамифосфорной кислоты. Связывание между цепочками происходит благодаря азотистымоснованиям — тимину, аденину, цитозину и гуанину, причем «стыковаться» междусобой они могут только определенным образом: аденин с тимином, гуанин сцитозином. Это правило называется принципом комплементарности. Если жепосмотреть на химические формулы этих оснований, то можно заметить, что тиминпохож на цитозин (их называют пиримидиновыми основаниями), а аденин на гуанин(пуриновые основания).

Ошибки в ДНК бывают связаны с химическими изменениями воснованиях, наличием разрывов в цепочках , а также с отсутствием или наличиемлишних (неправильных) нуклеотидов в одной из цепей.  

Димеризация тимина

Первый тип ошибки, с которой мы начнем обзор — склеивание между двумя соседними азотистыми основаниями, обычно тиминами. Этот процесс происходит под действием ультрафиолетового излучения, испускаемого, например, Солнцем. В результате такой сшивки нарушается связывание между двумя цепочками и молекулаДНК меняет свою геометрическую форму, что критично для работы многих белков-ферментов.

Для исправления этого вида ошибок у некоторых организмов,например, у E. **coli, существует специальный фермент, фотолиаза. Его активность (в пробирке) была открыта Стенли Рупертом в 1958 году — она стала первым подтверждением того, что у живых организмов существуют механизмы для исправления повреждений в ДНК. Работоспособность фотолиаз в живых организмах была подтверждена Азизом Санджаром, одним из лауреатов. Белок, поглощая энергию фотонов солнечного света, расходует ее на разрыв связей между остатками тимина, восстанавливая status quo.

Механизм репарации путем вырезания нуклеотидов. Изображение: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Однако у млекопитающих, в том числе и у человека, фотолиазы сохранились лишь в измененном виде. Считается, что они ответственны за циркадные ритмы — изменения активности в течение дня и ночи. Вместо этого клетки наших организмов используют другой метод, обнаруженный Санджаром: nucleotide excision repair, или репарация путем вырезания нуклеотидов.

Специальный фермент экзинуклеаза находит поврежденный участок ДНК и запускает работу целой группы белков, которые распутывают ДНК,вырезают из нее фрагмент из 8–12 нуклеотидов, затем восстанавливают этот фрагмент с помощью принципа комплементарности (в этом участвует ДНК-полимераза) и заново склеивают его с другой цепочкой.

Дезаминирование оснований

Отличия между пиримидиновыми основаниями невелики — к примеру, цитозин и тимин отличаются друг от друга наличием метильной группы (CH3) у последнего и гидроксильным фрагментом (OH) вместо аминного (NH2). В РНК, другой макромолекуле-переносчике информации, есть третий представитель этого класса оснований — урацил. Он, как и тимин в ДНК, комплементарен аденину.

Однако в результате некоторых химических процессов урацил может образоваться и в ДНК — в результате легко протекающего дезаминирования цитозина. Эта реакция попросту заменяет одну активную группу молекулы на другую, но ее результат нарушает комплементарность в цепочке.

Клетка могла бы решить эту проблему с помощью вырезания целого участка, но у нее существует и другой, менее радикальный способ исправления таких ошибок, его нашел Томас Линдаль. В ходе репарации вырезанием основания специальный белок, обнаруживший несоответствие, отрезает неправильное азотистое основание от цепи — в ней остается свободный остаток сахара, прикрепленный к соседним нуклеотидам фосфатными группами.

Механизм репарации путем вырезания оснований. Изображение: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Другие ферменты вырезают и его, а в получившийся разрыв встраивается необходимое основание. Как и в предыдущем методе исправления ошибок, за наращивание цепочки ответственна ДНК-полимераза. Затем два фрагмента цепочки склеиваются лигазой.

Окисление оснований

Под действием свободных радикалов, и, в частности, различных активных форм кислорода, азотистые основания могут окисляться. В результате этого окисленный гуанин, к примеру, может  начать связываться с аденином. Если не исправлять эту ошибку, то при делении клетки или считывании информации с  ДНК одно основание может замениться другим. В результате белки, синтезированные на основе такой мутантной информации получат замену одной из аминокислот, что может их полностью дезактивировать.

Исправление таких ошибок производится  точно также, как и дезаминирование — с помощью репарации вырезанием основания.

Метилирование оснований

В нашем организме есть встроенный механизм, который позволяет включать и выключать определенный гены. Он заключается в прикреплении к цитозину метильной группы, которая играет роль маячка, мешающего начать считывание конкретного участка ДНК. Так клетки контролируют синтез различных белков, к примеру.

В некоторых ситуациях метилирование может происходить хаотично. Тогда «маячки» могут появиться и у других азотистых оснований — нормальное функционирование клетки нарушается. Отличить «неправильное» метилирование от «правильного» клетка может, например, благодаря тому, что в природном механизме «маячки» появляются лишь у тех остатков цитозина, рядом с которыми (не напротив!) находится гуанин.

Такие ошибки также исправляются вырезанием «неугодного» основания, хотя для некоторых случаев существуют специальные ферменты, например,  O6-метилгуанин-ДНК-метилтрансфераза, которая умеет самостоятельно снимать метильные группы с остатка гуанина.

Разрывы ДНК

Цепи ДНК — довольно хрупкие объекты и сами по себе. Из-за ультрафиолетового излучения или окисления, а порой и из-за естественной радиации они могут разрываться. Разрывы эти бывают двухцепочечными и одноцепочечными.

Для того, чтобы их исправить клетки используют целый спектр механизмов, которым можно было бы посвятить отдельную статью. Ограничимся лишь тем, что в ряде случаев клетка способна восстановить разрыв при наличии рядом копии цепочки, а тогда, когда это невозможно белки просто напрямую склеивают две цепи.

Вставка «неправильных» оснований

В ходе репликации ДНК — важнейшего процесса для деления живых клеток — наряду с материнской молекулой появляется ее точная копия. Комплекс белковых машин, ответственных за этот процесс копирования работает неидеально. На каждые полмиллиона оснований ДНК в природе происходит одна ошибка — пропуск основания, вставка лишнего основания или же вставка неправильного нуклеотида. Для сравнения, в самом распространенном штамме кишечной палочки 4,5 миллиона пар оснований — полная ее репликация приведет при такой частоте ошибок к возникновению 9 неправильных пар оснований. Это число кажется небольшим.

В геноме человека примерно 3,1 миллиарда оснований, ему будет соответствовать 6,2 тысячи ошибок. А для развития серповидно-клеточной анемии, одного из опасных наследственных заболеваний, достаточно замены одного остатка аденина на тимин, то есть всего одной ошибки.

Для того, чтобы оградить нас от таких мутаций, в наших клетках существует способ исправления таких ошибок — репарация ошибочно спаренных оснований. Этот механизм был открыт третьим из лауреатов 2015 года — Полом Модричем.

Механизм репарации ошибочно спаренных оснований. Изображение: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Вставка неправильного нуклеотида нарушает комплементарность и приводит к искажению формы ДНК. Это обнаруживает белок mutS, который прикрепляется к месту ошибки и запускает процесс вырезания ошибочной копии. При этом вырезается целый участок, вплоть до специального маркерного белка. На следующей стадии в работу включается ДНК-полимераза и восстанавливает уже исправленную копию. Репликация, происходящая «под присмотром» системы репарации дает сбои уже лишь в одном случае на 100 миллионов оснований.  

Без существования этих механизмов наша ДНК успела бы измениться до неузнаваемости за считанные дни. Огромное количество мутаций и ошибок просто не позволило бы существовать такому сложному организму как человек. Однако разнообразные клеточные механизмы позволяет хрупкой молекуле ДНК оставаться практически неизменной на протяжении человеческой жизни.

Многие эксперты прочили Нобелевскую премию этого года Эммануель Карпентер и Дженнифер Дудна за разработку системы CRISPR/Cas9. Эта система позволяет целенаправленно редактировать практически любой конкретный участок генома. Одним из возможных (хотя и спорных) применений этой техники является лечение наследственных заболеваний еще на этапе эмбриона — тоже своего рода исправление ошибок в ДНК. Поэтому кажется очень правильным и немного ироничным то, что премия досталась исследователям именно природных механизмов репарации.

Автор: Владимир Королёв, Анастасия Приходько