Ошибка ценой в жизнь

Нобелевскую премию по химии присудили за «ремонтирование» ДНК

Механизм починки ДНК критически важен для жизни. Фото: Sergey Nivens/shutterstock

Нобелевская премия по химии уже не в первый раз присуждается за сугубо биологические исследования. В этот раз премию получили ученые, которые «раскусили» один из важнейших механизмов живых существ, и все благодаря чистому любопытству.

Имена лауреатов Нобелевской премии 2015 года по химии давным-давно вошли в учебники (правда, не по химии, а по молекулярной биологии). Томас Линдаль, Пол Модрич и Азиз Санкар выяснили, как работает один из ключевых механизмов, благодаря которому в принципе возможна жизнь, — механизм «починки» ДНК.

Подозрительная стабильность

ДНК — главная молекула любого живого организма. В ее длинных цепях закодирована вся информация о том, как будет развиваться организм, какие реакции будут протекать в его клетках, как он будет выглядеть и вести себя. Раз эта молекула так важна, логично предположить, что клетки тщательно охраняют ее, ведь появление случайной ошибки может привести к очень тяжелым последствиям. Даже стол или стул сложно собрать по неверной инструкции, что уж говорить о таком сложном устройстве, как бактерия или человек.

Так или почти так рассуждали биологи приблизительно до конца 1960-х годов, хотя указания на то, что ДНК не такое уж стабильное образование, были уже тогда. Взять, к примеру, динозавров: хотя их окаменевшие кости порой сохраняются в замечательном состоянии, ДНК в них нет и в помине (ровно по этой причине ученые, увы, никогда не возродят древних ящеров). Конечно, отчасти в исчезновении ДНК виноваты бактерии, которые «съедают» погибших животных, но ДНК довольно быстро рассыпается даже в относительно благоприятных условиях. Совсем недавно ученые вычислили, что за 1,5 миллиона лет даже длинные геномы разваливаются до коротеньких «обрывков». А одиночные изменения накапливаются еще быстрее, и это если ДНК хранится в холоде, а не в тепле организма.

Воздействие солнечного света приводит к поломкам в молекуле ДНК. Фото: haveseen/shutterstock


Первым вопросом о том, как организмы в принципе сохраняют свою ДНК в относительно неизменном виде, всерьез задался британец Томас Линдаль. Он работал с ближайшей «родственницей» ДНК — молекулой РНК — и обнаружил, что даже при небольшом нагреве она очень быстро разваливается. Хотя ДНК более устойчива, за несколько лет опытов Линдаль выяснил, что она тоже деградирует, даже если не нагревать ее.

Воссоздав условия, близкие к тем, в которых ДНК находится внутри клеток, ученый обнаружил, что в главной молекуле всего живого ежедневно появляются тысячи потенциально опасных изменений! Оказалось, что в ДНК есть слабые места: некоторые «буквы», из которых она составлена, склонны спонтанно изменяться, внося «опечатки» в генетическую информацию.

При этом реальная частота возникновения мутаций гораздо ниже — значит, в клетке есть системы, которые «чинят» случайно возникающие поломки, не давая геному из сложнейшей высокоточной инструкции за несколько месяцев превратиться в бессмысленный набор «букв». Линдаль занялся поисками «ремонтных» механизмов и через 35 лет сумел полностью воссоздать один из них, а именно эксцизионную репарацию оснований. Более того, ученый смог искусственно собрать эту систему и заставить ее работать in vitro (в пробирке).

Переоценить заслуги Линдаля трудно, уверен директор Химико-биологического института Балтийского федерального университета имени Канта, кандидат биологических наук Максим Патрушев. «Заслуга Линдаля и других лауреатов в том, что они смогли проследить всю цепочку белков, которые работают от момента обнаружения повреждения до его починки. У млекопитающих эти процессы крайне сложны, в них принимают участие около 50 ферментов», — уточняет он.

Опасное солнце

Помимо самопроизвольного превращения одних «букв» в другие, ДНК может изменяться под воздействием внешних факторов. «Наши клетки существуют в агрессивной для них среде, и вся эволюция направлена на то, чтобы под эту среду адаптироваться. Если говорить про факторы, то это, например, пища: неправильное питание может приводить к изменениям в структуре ДНК, к мутациям. Радиация изменяет ДНК за счет высоких энергий, плюс в результате облучения в клетке образуется большое количество активных форм кислорода, которые тоже повреждают нуклеиновые кислоты. Естественно, влияет и ультрафиолет, потому что это высокоэнергетическое облучение, оно напрямую воздействует на структуру нуклеиновых кислот», — перечисляет Патрушев.

До появления развитой промышленности люди (и прочие существа) не так часто подвергались воздействию радиации или канцерогенов. А вот ультрафиолет сопровождает живые организмы с момента их появления, поэтому живые системы должны были выработать защиту от него.

Опасные лучи на пляже или в солярии разрывают нити ДНК и заставляют слипаться соседние «буквы». Когда ферменты, ответственные за считывание записанных в ДНК инструкций, натыкаются на такие «помарки», они не могут прочесть «текст» и переписывают его с ошибкой — возникает мутация. При интенсивном облучении мутаций может быть так много, что геном становится полностью не читаемым, именно поэтому для обеззараживания хирургических инструментов и операционных включают ультрафиолетовые лампы.

Ультрафиолет используется в медицине для обеззараживания. Фото: Blanscape/shutterstock


Второй лауреат Нобелевской премии по химии 2015 года, Азиз Санкар, заинтересовался механизмами, которые помогают живым существам «ремонтировать» поломки, вызванные ультрафиолетом, случайно. Он занимался другой проблемой, когда обратил внимание на занятный факт: если бактерии, получившие смертельную дозу ультрафиолета, поместить под синюю лампу, они «оживают» и продолжают размножаться как ни в чем не бывало.

Санкар определил, что синий свет активирует особый фермент, названный позже фотолиазой: этот белок восстанавливает поврежденную ультрафиолетом ДНК. В 1976 году ученый сумел выделить и клонировать фотолиазу, но коллеги не впечатлились этой работой. Тем не менее Санкар продолжил заниматься репарацией ДНК и к 1983 году обнаружил и целиком «раскусил» еще одну бактериальную систему, которая чинит поломанную ультрафиолетом ДНК в темноте.

Позже вместе с Томасом Линдалем Санкар исследовал аналогичную систему, которая работает в клетках человека. Она оказалась сложнее бактериальной, но базовый принцип, открытый и детально описанный Санкаром, оказался тем же самым. Если эта система выходит из строя, человек не умирает, но солнце становится для него страшным врагом. «Повреждение системы эксцизионной репарации нуклеотидов, вызванной ультрафиолетом, приводит к развитию такого заболевания, как пигментная ксеродерма, — рассказывает заведующий группой «Специализированые ДНК-полимеразы» в Институте молекулярной генетики РАН, кандидат биологических наук Алена Макарова. — Клетки кожи становятся чувствительными к ультрафиолету, и очень часто возникают злокачественные новообразования кожи». В среднем первый онкологический диагноз больным пигментной ксеродермой ставят уже в восемь лет.

Самостоятельные ошибки

Но главный источник мутаций ДНК — это сами клетки. Ферменты, которые отвечают за копирование ДНК, работают не со стопроцентной точностью и делают довольно много ошибок. И это не случайный «недосмотр» природы: возникающие при неточном копировании мутации — главный источник изменчивости, без которой организмы не могли бы приспосабливаться к новым условиям среды и эволюционировать.

Но читающие ДНК ферменты работают с большим запасом: если оставлять все сделанные ими ошибки, очень быстро их накопится столько, что клетка вообще перестанет работать. Поэтому у живых организмов появилось система-«корректор», которая исправляет ошибки, как только ферменты-«копировальщики» закончат свою работу. «Корректор» сравнивает новосинтезированную нить ДНК со старой и, если какие-то «буквы» в новой нити отличаются, вырезает их и вставляет правильные. Какая из двух нитей новая, а какая старая, «корректор» определяет по особым химическим меткам — метилированию ДНК.

Всё, о чем написано в предыдущем абзаце, выяснил третий лауреат нынешней премии, Пол Модрич. В конце 1980-х он, как и два других нобелиата, собрал эту систему, известную как система репарации ошибочно спаренных нуклеотидов, in vitro.

От любопытства к основам

Репарация ДНК — базовый клеточный процесс, поломка которого на ранних этапах развития организма смертельна, а на поздних приводит к тяжелым заболеваниям, в том числе к раку. «Рак — мультифакторное заболевание, которое развивается, когда в одной точке сходится большое количество событий. Но поломки в механизмах репарации сильно увеличивают риск развития онкологических заболеваний», — уточняет Максим Патрушев.

Отключая часть систем репарации, раковые клетки оказываются зависимыми от оставшихся, и такое «легкомыслие» дает ученым возможность бороться с ними, дарит надежду Ольга Лаврик, член-корреспондент РАН, доктор химических наук, заведующий лаборатории в Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН. «При лечении рака препараты направлены на то, чтобы разрушить структуру ДНК, разрушить заключенную в структуре ДНК клеточную программу и в результате убить клетку. Но механизмы репарации настолько интенсивны, что сопротивляются и ионизирующему излучению, которое используется при радиотерапии, и введению химических препаратов при химиотерапии. Из-за столь интенсивной работы систем репарации, которые во что бы то ни стало восстанавливают структуру ДНК, приходится все время увеличивать дозы препаратов. Поэтому разработка лекарств, которые подавляют системы репарации в раковых клетках, — одно из ключевых направлений в современной терапии онкологических заболеваний», — объясняет ученый.

Уничтожать раковые клетки проще, если найти способ отключить у них механизм починки ДНК. Фото: Nephron/wikimedia


Таким образом из чистого любопытства — как это ДНК остается стабильной, хотя должна разрушаться? — выросли важнейшие фундаментальные исследования, которые объясняют самые основы того, как устроены живые существа. И это было сделано до того, как в ходе Human Genome Project был расшифрован геном человека.

"Исследования были сделаны в конце "классической эры" генетики - еще до расшифровки генома человека и начала вложений в эту область науки огромных средств. Эти открытия были сделаны не "в лоб", а остроумно. Они уже вошли в учебники, так что присуждение премии совсем не удивляет: эти работы уже получили всеобщее признание и, несомненно, достойны высокой награды", - сказал заместитель директора Центра по инфекционным заболеваниям и функциональной геномике Сколковского института науки и технологий Юрий Котелевцев.

История «химической» Нобелевки 2015 года отлично демонстрируют, что наука движется вперед прежде всего благодаря «бесполезным» исследованиям чего-то интересного. Так что не стоит посмеиваться над учеными за их чрезмерное любопытство и самонадеянно считать, что одни области перспективнее других.
Ирина Якутенко
Теги:

Читать еще на Чердаке: