Внутриклеточные «мастерские», где происходит починка серьёзных повреждений ДНК, действительно существуют. Учёные разглядели и сами мастерские, и молекулярные «тягачи», оттаскивающие повреждённые фрагменты главной молекулы жизни к порам ядерной мембраны – «пограничным пунктам», где ядро общается со своим окружением.
Исследования генетического аппарата, лежащего в основе всего живого на нашей планете, в последнее время направлены почти исключительно на то, чтобы выяснить, как информация, записанная в генах, превращается в реально существующие белки. И каждое новое открытие в этой области неизменно сопровождается возгласами изумления тому, насколько сложно и тонко устроен аппарат ДНК.
Между тем мудрость, доступная даже не самому искусному сантехнику, гласит, что все, что может сломаться – неизбежно ломается, а что не может сломаться – в конечном итоге засоряется. Какие механизмы поддерживают стабильность внутриклеточных процессов ДНК, что происходит, если ключевая молекула вдруг повреждается – это вопросы, на которые современная наука может ответить лишь отчасти.
Например, американские ученые, изучающие безопасность космических перелетов на большие расстояния, не так давно представили интригующие указания на то, что клетка умеет различать легкие и сильные повреждения ДНК. Небольшие поломки разнообразные ферменты могут подлатать прямо на месте, а вот чтобы исправить серьезные аварии, поврежденные участки ДНК приходится отправлять в своего рода «мастерские», расположенные в чётко определённых районах клеток.
Год назад работа, поставленная с помощью зеленого флуоресцентного белка, многим показалась слишком уж спекулятивной. К тому же специалисты NASA даже не ставили своей задачей выявление каких-либо механизмов восстановления ДНК.
Новые, гораздо более подробные данные о том, как протекает починка ДНК внутри клетки, представила Зусан Гассер из Центра биомедицинских исследований имени Фридриха Мишера в швейцарском Базеле, собравшая по своим началом группу исследователей из Швейцарии, Канады и США. Результаты работы научного коллектива опубликованы в последнем номере Science.
По мнению Гассер, «мастерские» и вправду существуют, и расположены они рядом с порами мембраны, окружающей ядро клетки.
Догадки о том, что к ремонту главной наследственной молекулы каким-то образом причастны поры ядерной мембраны, по косвенным признакам появляются не первый год. Например, подавляя активность тех или иных белков, выполняющих в клеточных порах разнообразные функции, ученые уже добивались резкого повышения чувствительности ДНК к повреждающим агентам. Более того, был у специалистов и «список подозреваемых» – белков-работников этих ремонтных мастерских.
Проверить эти гипотезы на деле помог специальный штамм почкующихся дрожжей, выведенный для этого эксперимента.
Чтобы увидеть, как ремонтируется ДНК, нужно, во-первых, чтобы её кто-то сломал. Во-вторых, она должна быть как-то доставлена к месту починки. Ну а в-третьих, в месте починки должен кто-то быть. И желательно, чтобы всех трёх действующих лиц – или хотя бы предмет их работы – было видно.
В грибке, выведенном Гассер и коллегами, ломает ДНК особая эндонуклеаза. Она разрывает одну из цепочек двойной спирали ДНК в строго определённом месте, притом синтезируется только тогда, когда в ней появляется другой фермент – галактоза. Таким образом, специалисты научились контролируемо наносить ущерб ДНК. Следить же за перемещениями поврежденного участка ДНК ученые заставили зеленый флуоресцентный белок, приспособление которого под исследовательские нужды недавно было удостоено высшей научной награды в области химии за 2008 год.
Аналогичным образом ученые пометили и белки, образующие комплексы Slx5/Slx8 в мембранах клеточного ядра. Именно им отведена роль «ремонтников». Чтобы отличить их от участка поврежденной ДНК, потребовалось применить флуоресценцию красного цвета. Еще один цветовой маркер ученые прикрепили к небольшому комплексу убиквитин-подобного белка (small ubiquitin-like modifier, SUMO) , который, как предполагали ученые, должен отвечать за доставку поврежденного участка ДНК к месту ремонта.
За движением поврежденных участков ученые следили по фотографиям, сделанным с помощью конфокальной микроскопии.
По ним видно, что уже через два часа после намеренного активирования эндонуклеазы поврежденные участки ДНК концентрировались в районе ядерной мембраны.
Их концентрация, как видно из фотоснимков (PDF-файл), приложенных к публикации, совпала с положением белковых комплексов, находящихся в порах. А для того, чтобы продемонстрировать, что такое совпадение не случайно, ученые применили метод иммунного осаждения, который показал физическую связь между поврежденными участками ДНК и белковыми комплексами пор.
Гассер и её коллегам удалось не только продемонстрировать весь механизм, включающийся в работу при нарушении наследственной последовательности, но и показать, насколько селективно происходит восстановление ДНК. Повреждения ДНК происходят в ядре довольно регулярно, при этом даже «плановый разрыв» может длиться более часа. Ученые показали, что клетке этого времени вполне достаточно, чтобы запустить починку ДНК.
Как скоро эти работы найдут свое применение в медицине или других прикладных направлениях биологии, сказать сложно. Сами авторы не позволили себе никаких спекуляций на этот счет. Хотя клетки дрожжей, в отличие от бактерий, и обладают, собственно, ядром, между грибами и человеком всё-таки огромная пропасть. Однако выяснить, как работают мастерские, пусть и совсем непохожие на наши, и что именно в них происходит, будет очень интересно и с фундаментальной точки зрения.
Алексей Петров