Чтобы устранить повреждения в неактивной ДНК, клетка временно освобождает её от белковой упаковки, давая возможность сигнальному ферменту увидеть дефекты в ДНК-цепях.

Разнообразные повреждения в ДНК могли бы сильно испортить нам (да и вообще всем живым существам) жизнь, если бы не целый комплекс молекулярных машин, занимающихся её починкой, или репарацией. Если вдруг одна или сразу две цепочки ДНК разорвутся, или какой-то нуклеотид окажется заменён на другой, который будет некомплементарным своему напарнику, или нуклеотиды окажутся сшиты вместе, то на этом участке появится «ремонтная бригада»: группа белков, которые развернут повреждённый фрагмент ДНК, вырежут ущербный кусок и вставят на его место специально синтезированную «заплатку».

Петля ДНК на нуклеосоме и фермент РНК-полимераза; разрыв в цепи ДНК останавливает полимеразу, что служит сигналом системам ремонта ДНК. (Рисунок Надежда Герасимова.)

Схема нуклеосомы кусок ДНК, намотанный на катушку белков-гистонов. (Фото Wikipedia.)

Такие мутации происходят постоянно: из-за ультрафиолета, из-за ионизирующей радиации, из-за окислительного стресса, из-за каких-то вредных веществ, которые попали в организм, наконец, из-за погрешностей в работе других молекулярных машин – тех, которые выполняют репликацию ДНК. Не будь репарирующих систем, спасу бы нам не было от болезней; считается, что львиная доля онкологических заболеваний начинается с поломки репарирующих машин, которые перестают замечать повреждения в ДНК.

Системы репарации изучены довольно подробно, однако есть нюанс – то, что мы знаем о починке ДНК, относится к событиям, которые происходят на развёрнутой цепи, там, где синтезируется РНК. Когда клетке оказывается нужен какой-то белок, участок ДНК-спирали с геном белка расплетается, чтобы по одной из нитей могла «проехать» РНК-полимераза – фермент, делающий РНК-копию с ДНК – а потом уже эта копия отправляется к рибосомам, которые синтезируют собственно молекулу белка. Если полимераза натыкается на ошибку в нити ДНК, с которой работает, она сигнализирует репарирующим системам. Но повреждения в другой, комплементарной, цепи она не заметит.

Не будем забывать также о том, что в клетке ведь активна далеко не вся ДНК – в том смысле, что, какой бы они ни была, ей просто не нужны все имеющиеся у неё сотни и тысячи генов. В разные периоды жизни клеточные функции меняются, да и сами клетки предназначены для разных вещей: странно было бы требовать от фибробластов соединительной ткани, чтобы в них работали гены, необходимые нейронам для постройки синапсов. Поэтому куски ДНК с ненужными генами хранятся в запакованном виде в своеобразном архиве, в комплексе с белками гистонами.

Как известно, ДНК необычайно длинна, и чтобы она как-то поместилась в клетку, она сложным образом компактизуется вместе белками в хромосомы. Начальный этап компактизации – формирование нуклеосом: кусочек ДНК наматывается на белковую катушку; в таком виде он занимает мало места и одновременно недоступен для белков транскрипции. Однако от повреждений ДНК в нуклеосомах не защищена. Но если, к примеру, клетка вздумает делиться (а стволовые клетки, например, делятся постоянно), то она начнёт удваивать – реплицировать – всю ДНК, и начнутся проблемы, когда реплицирующий аппарат наткнётся на повреждения, которые были скрыты в нуклеосомах.

Было бы странно, если б у клетки не было инструментов для лечения такой «архивной» ДНК. Сотрудникам лаборатории Василия Студитского в Московском государственном университете удалось узнать, как это происходит. В статье в Science Advances авторы сообщают, что, хотя разрывы в ДНК могут случаться в тех участках, что скрыты в «катушке»-нуклеосоме, их всё равно каким-то образом чувствует фермент РНК-полимераза, которая, как мы помним, работает с открытой ДНК. Несмотря на плотную упаковку, нити нуклеосомной ДНК образуют петли (причём появление таких петель, очевидно, связано с переупаковкой ДНК в нуклеосомы после её временного освобождения из них – например, для того, чтобы дать возможность прочитать понадобившийся в какой-то момент ген). РНК-полимераза может ползать по освобождённым нитям, и, когда она чувствует, что с ДНК что-то не то, что есть разрыв, она даёт сигнал репарирующим машинам. Удивительно же то, что фермент чувствует повреждения, которые находятся у него «за спиной»; исследователи полагают, что из-за повреждения впереди лежащая ДНК принимает такую пространственную форму, которая останавливает полимеразу и заставляет её «задуматься».

Эксперименты проводились в пробирке, в искусственно собранной системе из гистонов, ДНК, в которую можно было вносить повреждения в специально предназначенные для этого участки, и фермента РНК-полимеразы. Естественно, результаты теперь нужно будет подтвердить в опытах с живыми клетками, однако уже сейчас можно говорить о том, что появилось новое направление в исследованиях репарации ДНК. Ну, а практическое значение таких работ очевидно: чем больше мы узнаем о репарирующих молекулярных системах, тем лучше будем понимать, как нам защититься от разнообразных мутационных болезней.

По материалам пресс-службы МГУ

Автор: Кирилл Стасевич