Як відновлюються клітини після руйнування ДНК сонцем

Вчені зрозуміли, як ремонтний механізм в клітинах розуміє, що необхідно виправляти пошкодження ДНК, викликане сонячним світлом, - пише eurekalert.org з посиланням на Nucleic Acids Research.

Команда, очолювана дослідником з Університету Бейлора, опублікувала революційну статтю, яка забезпечує краще розуміння динамічного процесу відновлення клітин після дії сонячного світла.

Ультрафіолетове світло сонця -це визнаний канцероген, який може завдати структурної шкоди клітинні ДНК. Оскільки ДНК несе важливі інструкції для клітинних функцій, невиконане своєчасне видалення або відновлення пошкоджених частин ДНК може мати згубні наслідки і призвести до раку шкіри у людей, сказав провідний автор Ян-Хун Мін - доцент хімії і біохімії в коледжі мистецтв і наук Бейлора.

Мін і її команда показали, як репараційний білок Rad4/XPC буде зв'язуватися з одним таким УФ-індукованим пошкодженням ДНК - 6-4 фотопродуктом - для маркування пошкодженої ділянки уздовж ДНК при підготовці до іншої частини ексцизійної репарації нуклеотидів (Nucleotide Excision Repair, NER).

Мін пояснила, що ультрафіолетове світло загрожує цілісності геному, викликаючи пошкодження клітинної ДНК, відоме як пошкодження внутрішньошарового зшивання. Двома основними типами цих ушкоджень є димер циклобутан-піримідину (CPD), який становить близько 70 відсотків такого роду пошкоджень; і 6-4 фотопродукт (6-4PP), який становить близько 30 відсотків.

За словами Мін, ексцизійна репарація нуклеотидів (NER), яка відповідає за усунення цих поражень, працює набагато швидше для 6-4PP, ніж для CPD. Це пов'язано з тим, що чутливий до пошкодження ДНК білок Rad4/XPC, який ініціює NER, більш ефективний при розпізнаванні 6-4PP, ніж при розпізнаванні CPD.

Якщо пошкодження пов'язане з Rad4 / XPC, вона може бути вилучена шляхом NER, який працює у всіх організмах, від дріжджів до людини. Мін сказала, що досі залишається неясним, як білок Rad4 / XPC розпізнає пошкодження і що призводить до відмінностей в ефективності розпізнавання.

Спочатку команда визначила тривимірну структуру білка Rad4, пов'язаного з ДНК-субстратом, що містить пошкодження 6-4PP, використовуючи метод, званий рентгенівської кристалографією. Структура показала, що білки перевертають частини ДНК, що містять 6-4PP, і, таким чином, "відкривають" подвійну спіраль ДНК. Це супроводжувалося сильним розкручуванням і вигином ниток ДНК.

Однак, за словами Мін, білок безпосередньо не зв'язувався з пошкодженою частиною ДНК. Замість цього білок специфічно зв'язується зі здоровими шматочками ДНК. Це показує, що білок в принципі може зв'язуватися з CPD, а також з іншими ушкодженнями ДНК, викликані навколишнім середовищем, які, як відомо, розпізнаються Rad4/XPC. Але це не може безпосередньо пояснити, чому ефективність розпізнавання пошкоджень може бути різною.

Для вирішення цієї проблеми Мін потім співпрацювала з Сьюз Бройд, доктором філософії в Нью-Йоркському університеті і використовувала молекулярну динаміку для комп'ютерного моделювання процесу, з допомогою якого Rad4 спочатку може зачепитися за ДНК, що містить або 6-4PP, або CPD.

Імітаційні дослідження показали, що білок легко взаємодіє з 6-4PP, щоб розкрутити, зігнути і частково «відкрити» ДНК в місці пошкодження. Але, що примітно, ДНК, що містить CPD, чинила опір розкручуванню і вигину, які легко відбувалися з 6-4PP.

В цілому, команда змогла зібрати тривимірну молекулярну траєкторію, яка зображала ключові кроки під час «відкриття» ДНК, проведеного Rad4/XPC, і розкривала причини різного розпізнавання 6-4PP і CPD.

Мін вважає, що відкриття цих механізмів відновлення ексцизії нуклеотидів може принести користь, крім розуміння пошкодження, викликаного ультрафіолетом, оскільки NER також є важливим шляхом, який відновлює велику частину пошкоджень ДНК, викликаних навколишнім середовищем, у тому числі промисловими забруднювачами, сигаретним димом і навіть деякими хіміотерапевтичними препаратами.

«Відмінною рисою NER є те, що він відновлює дуже широкий спектр пошкоджень ДНК. Це дуже важливо з точки зору того, як наші геноми захищені від пошкодження ДНК, викликаного навколишнім середовищем», - говорить Мін.

«Протягом багатьох десятиліть було відомо, що білок Rad4/XPC може дуже ефективно розпізнавати 6-4PP, але не було структури, щоб показати, як він дійсно зв'язується з ушкодженням і чому розпізнавання настільки ефективно в порівнянні з ураженнями, такими як CPD, - сказала вона. - По суті, наше дослідження добре заповнює цю прогалину і деталізує, яким повинен бути цей механізм".

Хоча це дослідження показало, як Rad4/XPC може зв'язуватися з пошкодженням в дуплексі ДНК, досі невідомо, як білок може виявити таке пошкодження, якщо він знаходиться на ДНК, яка компактно організована, як це відбувається в клітинах (так званий хроматин).

Мін каже, що більшість ДНК в хроматині намотується на білки, звані гістонами, і як Rad4/XPC може їх обійти, щоб знайти поразку, є ще однією загадкою.

Крім того, вона сказала, що невідомо, як Rad4/XPC буде залучати наступного гравця на шляху відновлення - комплекс транскрипційного фактора II H (TFIIH), який важливий при перевірці пошкодження до того, як інші білки з'являться і фактично вирізати пошкоджену частину.

«Ми сподіваємося, що отримані знання можуть бути корисні для вирішення основних проблем в області здоров'я людини, - сказала Мін. – Ми можемо ефективно допомогти, розібравшись, як все працює за допомогою повної тривимірної структурної деталізації».