Японские ученые узнали, как работает механизм восстановления ДНК

Исследование репарации (восстановления) ДНК путем гомологичной рекомбинации привело ученых из Токийского столичного университета (TMU) к раскрытию биохимического механизма этого процесса, сообщает 20 января сайт новостей науки EurekAlert со ссылкой на пресс-службу TMU.

Команда специалистов под руководством профессора Кодзи Хироты из TMU изучила процесс восстановления ДНК, при котором белок RecA (центральный фермент гомологичной рекомбинации в бактериальной клетке) устраняет разрывы в двухцепочечной ДНК, подсоединяя оборванный одноцепочечный конец в неповрежденные двойные нити. А далее восстанавливает разрыв на основе неповрежденных последовательностей.

Исследователи установили, что белок RecA находит место, где нужно вставить одиночную нить в двойную спираль, при этом не раскручивая эту спираль ни на один виток. Полученные ими результаты дают новые направления для исследования возникновения рака.

Гомологичная рекомбинация (HR) является повсеместным биохимическим процессом, происходящим в клетках всех живых существ — животных, растений, грибов и бактерий.

В нашей жизни ДНК подвергается всевозможным внешним и внутренним воздействиям, некоторые из которых могут привести к разрыву обеих нитей ее двойной спирали, что чревато катастрофическими последствиями и может привести к неизбежной гибели клеток. Однако природа создала такие процессы, как HR, которые постоянно устраняют эти разрывы.

При HR, последовательность которого хорошо изучена, один из двух открытых концов разрыва спирали отпадает, обнажая второй открытый конец оборванной цепочки, — этот процесс называется резекцией. Затем белок RecA (или его эквивалент), связывается с открытой одиночной цепью и неповрежденной двойной цепью поблизости и «ищет» ту же последовательность.

Обнаружив нужное место, RecA рекомбинирует одиночную цепь в двойную спираль в процессе, называемом инвазией цепи. После чего разорванная цепь ДНК восстанавливается с использованием существующей ДНК в качестве матрицы.

То есть HR обеспечивает точное восстановление двухцепочечных разрывов и обмен генетической информацией (это делает гомологичную рекомбинацию ключевой частью биоразнообразия). Однако до сих пор биохимические процессы, происходящие при HR, были неизвестны.

Ученые Токийского столичного университета в своем последнем исследовании протестировали две возможные модели того, что происходит в процессе HR. В одном из сценариев RecA раскручивал участок двойной цепи во время «поиска гомологии», чтобы найти подходящее место для инвазии цепи. Во втором после привязки RecA раскрутки не происходило. И лишь когда шло восстановление цепи, происходило небольшое раскручивание спирали.

Чтобы проверить, что же происходит на самом деле в процессе HR, команда ученых в содружестве со специалистами Токийского столичного института медицинских наук разработала два подхода. В первом случае они создали мутант RecA, не способный раскручивать двойные цепи, чтобы проверить, влияет ли это на репарацию ДНК. Оказалось, что это изменение имело лишь минимальный эффект на процесс.

Во втором эксперименте они решили измерить, насколько сильно скручена спираль на разных стадиях процесса HR, и обнаружили, что единственное изменение в спирали, вызванное некоторым раскручиванием, произошло после завершения поиска гомологии, т. е. уже в процессе инвазии цепи. Таким образом, команда наглядно доказала верность второй модели.

Полученные учеными знания о процессе гомологичной рекомбинации жизненно важны для понимания того, что происходит при его нарушениях. Например, факторы, связанные с раком молочной железы (протеины BRCA1 и BRCA2), также отвечают за правильную загрузку одноцепочечной ДНК в RAD51 (белок репарации ДНК у человека, исполняющий те же функции, что и RecA у бактерий).

Исследование показывает возможность того, что именно проблемы с HR вызывают высокую заболеваемость раком молочной железы у пациентов с наследственными дефектами BRCA1 или BRCA2. Команда надеется, что полученные ими результаты дадут новое направление в исследовании рака.

Результаты проделанной работы команда представила в статье «Распознавание гомологии без разделения двухцепочечных цепей ДНК в D-петлевой форме с помощью RecA», опубликованной в журнале Nucleic Acid research.