Защита тихоходки

Белок тихоходки защищает человеческие клетки от радиации

Тихоходка Milnesium tardigradum. Изображение: Schokraie E., Warnken U., et al. / Wikimedia

С момента своего открытия тихоходки не устают удивлять ученых. Эти существа примерно 0,5 мм длиной выглядят то ли как пришельцы из космоса, то ли как восьмилапые плюшевые медвежата-мутанты. Их можно найти практически в любом природном месте обитания — от глубин океанов до вершин Гималаев.

Истинную славу тихоходкам принесла фантастическая живучесть, невероятная даже по меркам неприхотливых беспозвоночных. Они способны возвращаться к жизни после десятилетий, проведенных во льду, с легкостью переносят почти полное обезвоживание, нагрев выше 100°С и чудовищное давление.

Особое внимание ученых притягивает к себе их стойкость к ионизирующему излучению. Не смогли остаться в стороне и астробиологи. Если внеземная жизнь в пределах Солнечной системы и существует, то она с большой вероятностью похожа на тихоходок. Европейское космическое агентство даже создало проект TARDIS (аббревиатура расшифровывается как tardigrades in space — тихоходки в космосе, но уверен, что «Доктора Кто» они тоже смотрели) по изучению влияния условий космоса на этих существ. В ходе исследования 3 000 тихоходок отправили на околоземную орбиту на борту российского аппарата «Фотон-М3», стартовавшего в сентябре 2007 года.

Оказалось, что космический вакуум почти не влияет ни на живых тихоходок, ни на их яйца. Радиация и ультрафиолетовое излучение резко увеличили их смертность, но некоторые тихоходки выживали и в этом случае. Интересно, что в группе, защищенной УФ-светофильтром, выживаемость была несколько выше — ультрафиолет оказался для тихоходок страшнее радиации.

Тихоходка под световым микроскопом
Тихоходка под световым микроскопом. Изображение: Frank Fox / Wikimedia


Главная проблема, которая стоит перед организмом, подвергающимся воздействию радиации, — это сохранение структуры своей ДНК. Электромагнитные волны — гамма- и рентгеновские лучи, а также разнообразные частицы, входящие в состав ионизирующего излучения, — буквально выбивают электроны из молекул, которым не посчастливилось встретиться на их пути. Молекулы, пережившие такое столкновение, изменяют структуру — приобретают дополнительный заряд, становясь ионами. Самое неприятное, что ионы, образующиеся при этом процессе, чаще всего нестабильны и легко разваливаются до частиц, имеющих свободный, неспаренный электрон. Такие частицы, обладающие вакантным электроном, не участвующим в химической связи, но способным на нее, называют свободными радикалами. Имея неспаренный электрон, радикалы жаждут пристроить его в какую-нибудь химическую связь, вступая в реакцию со всем, что подвернется под руку. Максимальное число свободных радикалов в облученной клетке образуется из молекул воды, переживших радиационную бомбардировку.

Структуры пораженной излучением клетки одновременно страдают как напрямую от самого ионизирующего излучения, так и от атаки порожденных им свободных радикалов. Умеренное радиационное повреждение белков и жировых мембран клетки не всегда фатально — это динамичные, постоянно обновляемые структуры, которые можно починить или заменить новыми. Лишь бы были целы чертежи-гены, содержащиеся в молекуле ДНК. А вот когда удару подвергается сама ДНК, в жизни клетки наступают действительно серьезные проблемы, нередко приводящие к ее гибели.

Для восстановления нарушенной структуры ДНК у клетки есть специальная ремонтная служба — система репарации. Кроме того, весь набор генов организмов-эукариот (имеющих ядро внутри клетки) обычно продублирован, чтобы при поломке гена его последовательность можно было восстановить по резервной копии. Но запас прочности этой системы защиты обычно невелик.

Изображение: Frank Fox / Wikimedia


Смертельная доза излучения для тихоходок — около 5000 грей, а для человека эта величина составляет от 5 до 10 грей. Почему же у тихоходок этот смертельный порог почти в 1000 раз выше, чем у человека?

Недавнее исследование группы японских ученых, опубликованное в журнале Nature Communications, приблизило нас к разгадке. Авторы статьи прочитали последовательность генома (по-научному — секвенировали геном) тихоходки Ramazzottius varieornatus — одного из самых живучих существ на планете. Анализ полученного генома позволил найти в нем 16 генов различных супероксиддисмутаз. Эти ферменты расщепляют один из самых опасных свободных радикалов — супероксид анион О2-, в изобилии появляющийся в клетке после радиационного облучения и при обезвоживании. Для сравнения: в геномах других многоклеточных встречается не больше 10 генов супероксиддисмутаз.

Кроме того, в геноме этого существа обнаружились четыре копии генов семейства MRE11, кодирующие белки, необходимые для сшивания двухцепочечных разрывов ДНК — одного из наиболее частых радиационных поражений генома. У большинства животных найдено лишь по одному гену MRE11.

Но главный сюрприз поджидал исследователей впереди. Поставив перед собой задачу найти белки, отвечающие за радиационную стойкость тихоходок, ученые обнаружили ранее неизвестный белок, названный Dsup (Damage suppressor). Его ген, соединенный с геном светящегося флуоресцентного белка GFP, был перенесен в модельные культуры клеток дрозофилы и человека. При окраске ДНК клеток обоих культур стало очевидно, что зеленая флуоресценция наблюдается в тех же областях клетки, в которых находится выкрашенная ДНК, что говорило о вероятной связи изучаемого белка с ДНК.


Тихоходка под микроскопом. Видео: Frank Fox / Wikimedia

Была создана генно-модифицированная линия человеческих клеток НЕК293Т, собирающая (по-научному — экспрессирующая) позаимствованный у тихоходки белок Dsup. Несчастные клетки облучали рентгеновским излучением или обрабатывали перекисью водорода, имитировавшей атаку свободных радикалов. После этих издевательств провели оценку числа разрывов ДНК в клетках несколькими независимыми методами. Выяснилось, что белок тихоходки уменьшает ущерб, наносимый радиацией клеткам человека, на 40%.

Как ему это удается, пока непонятно. Известно лишь, что один из концов последовательности Dsup имеет избыточный положительный заряд. По-видимому, он помогает белку связываться с отрицательно заряженной ДНК. В экспериментах было показано, что именно этот фрагмент Dsup принципиально важен для его антирадиационного эффекта.

Исследования таких уникальных существ, как тихоходки, расширяют представления о самих возможностях жизни, буквально раздвигая ее горизонты прямо у нас на глазах. И кто знает, может быть, через десятилетия результаты этих работ помогут расширить и границы выносливости нашего биологического вида.

Дмитрий Лебедев

Теги:

Читать еще на Чердаке: