Полiт.ua Государственная сеть Государственные люди Войти
5 декабря 2016, понедельник, 19:43
Facebook Twitter LiveJournal VK.com RSS

НОВОСТИ

СТАТЬИ

АВТОРЫ

ЛЕКЦИИ

PRO SCIENCE

ТЕАТР

РЕГИОНЫ

Ремонт ДНК своими руками: руководство для клеток

Двойные спирали ДНК
Двойные спирали ДНК
Pixabay

Как уже неоднократно бывало в последние десятилетия, лауреаты Нобелевской премии по химии 2015 года могли бы получить премию и в области физиологии и медицины. В этому году премия присуждена за исследование репарации ДНК – механизмов устранения повреждений в этой молекуле. Лауреатами стали Томас Линдаль (Tomas Lindahl) шведский ученый, работающий сейчас в Институте Фрэнсиса Крика в Великобритании, американец Пол Модрич (Paul Modrich) из Медицинской школы Университета Дьюка и  Азиз Санджар (Aziz Sancar), гражданин Турции и США, который работает в Университете Северной Каролины.

Следует помнить, что в репарации ДНК задействовано большое количество клеточных механизмов, выяснением которых долгие годы занимается много ученых. Например, премия Ласкера в этом году тоже была присуждена за исследования в этой области, но другим ученым: Эвелин Уиткин и Стивену Элледжу. Есть немало и других исследователи, которые внесли свой вклад в понимание этих механизмов.

Способность устранить неполадки в ДНК жизненно важна для клетки. Причем этот ремонт клетка должна производить самостоятельно и непрерывно. Изменения в цепочке ДНК возникают в ней каждый день. Более того, согласно опубликованным в 2000 году данным, повреждение ДНК под воздействием факторов окружающей среды, а также происходящих в клетке процессов обмена веществ происходит с частотой от нескольких сотен до тысячи случаев в час. Может порваться одна или обе цепочки в двойной спирали, может возникнуть соединение цепочек, может оказаться поврежденным какой-то нуклеотид или несколько нуклеотидов. Причин таких поломок множество: ультрафиолетовое излучение, свободные радикалы, радиация, сбои во время удвоение ДНК при делении клетки.

К пониманию этого факта одним из первых пришел Томас Линдаль в начале 1970-х, тогда же он предположил, что раз в молекуле ДНК постоянно накапливаются дефекты, то должны существовать механизмы их устранения. Иначе живые организмы просто не смогут существовать. Линдаль начал искать ферменты, которые ремонтируют ДНК. Он делал это, используя ДНК бактерий. Первый такой фермент Томас Линдаль обнаружил в 1974 году, этот фермент используется для устранения повреждений нуклеотида цитозина. Цитозин – одно из слабых мест в молекуле ДНК, так как он сравнительно легко теряет аминогруппу, что приводит к изменению генетической информации. Если «нормальный» цитозин по принципу комплементарности образует в ДНК связи с гуанином, то поврежденный – с аденином. Если повреждение сохранится, то при следующем делении клетки, когда ДНК реплицируется, закрепится мутация, искажающая «генетический текст». Томас Линдаль сумел идентифицировать фермент, который удаляет поврежденный цитозин из бактериальной ДНК.

Вслед за этим последовали более 30 лет непрерывного поиска «ремонтных ферментов», которым Линдаль занимался сначала в Каролинском медицинском институте в Стокгольме, затем в Великобритании, исследовательском центре Imperial Cancer Research Fund  (с 2002 года – Cancer Research UK). В 1986 году он стал директором Clare Hall Laboratory. То, что Томас Линдаль с его постоянным интересом к механизмам репарации ДНК стал работать в исследовательских учреждения, посвященных изучению рака, неслучайно. Сейчас ученые полагают, что от 80 % до 90 % онкологических заболеваний связаны с нарушением механизмов репарации.

В итоге Томас Линдаль сумел обнаружить целый ряд ферментов, которые составляют класс ДНК-гликозилаз. Они распознают наличие в ДНК поврежденных азотистых оснований определенных типов и удаляют их, расщепляя связь этого основания с сахарофосфатным остовом молекулы ДНК. Затем вступают в дело другие ферменты. ДНК-полимераза синтезирует соответствующий участок цепочки ДНК вместо удаленного, а ДНК-лигаза сшивает цепочку. Данный вид ремонта ДНК получил название эксцизионная репарация (excision repair) от английского excision «вырезание». В 1996 году Томас Линдаль сумел воспроизвести в лаборатории процесс репарации ДНК человека.

С механизмом эксцизионной репарации связаны исследования Азиза Санджара. В 1970-х годах Санджар заметил любопытное явление: бактерии, получившие смертельную дозу ультрафиолетового излучения, выживают, если их осветить синим светом. Выяснение биохимической природы этого чудесного спасения бактерий стало предметом исследований Санджара в Техасском университете. В 1976 году он сумел клонировать ген, который отвечает за синтез фермента фотолиазы, восстанавливающего повреждения ДНК, нанесенные ультрафиолетом. Также Санджар сумел получить бактерий, которые усиленно продуцировали этот фермент. Как выяснилось, ДНК-фотолиаза действительно активируется видимым светом и использует для работы его энергию.

 

Репарация ДНК после повреждения ультрафиолетом - образец эксцизионной репарации

Увы, докторская диссертация Санджара, посвященная фотолиазе, тогда не вызвала особого интереса, и три его заявки на должность исследователя в разных университетах были отклонены. Тогда Азиз Санджар стал работать лаборантом в Медицинской школе Йельского университета. Там он смог продолжить свои работы по изучению того, как ДНК бактерий восстанавливается после ультрафиолетового облучения. Санджар и его коллеги поняли, что у бактерий есть две системы восстановления. Одна работает на свету (она основана на фотолиазе), а другая действует и в темноте. За несколько лет работы Санджар смог определить бактериальные ферменты, кодируемые тремя генами uvrA, uvrB и uvrC. Он экспериментально показал, как эти ферменты идентифицируют поврежденный участок ДНК, а затем делают два разреза в цепочке, удаляя кусок из 12-13 нуклеотидов, содержащий поврежденную часть. Затем в дело вступают уже упоминавшиеся ДНК-полимераза и ДНК-лигаза, достраивая недостающий фрагмент и сшивая цепочку.

После публикации своей работу в 1983 году Азиз Санджар был приглашен в Университет Северной Каролины, где продолжил исследования механизмов репарации. Параллельно с работами Томаса Линдаля он перешел от бактериальной ДНК к ДНК человека. Как оказалось, там функционируют пусть несколько более сложные, но в целом сходные механизмы. Специфический фермент определяет тот тип повреждения ДНК, за который он отвечает. Поврежденный участок вырезается, синтезируется участок на замену, затем разрезы зашиваются.

Третий лауреат, Пол Модрич, в начале своей карьеры исследовал ДНК-полимеразы и ДНК-лигазы, а в дальнейшем обратил внимание на другой класс ферментов, задействованных в репарации ДНК. Работа этих ферментов, получивших название ДНК-метилтрансферазы, заключается в присоединении метильной группы (CH3-) к цепочки ДНК. Как установил Пол Модрич, эти метильные группы могут служить указателями, помогающими другим ферментам разрезать цепочку ДНК в нужном месте. В дальнейних исследованиях Пол Модрич совместно с молекулярным биологом Мэтью Мезельсоном (Matthew Meselson) открыл особый механизм репарации ДНК – репарацию ошибочно спаренных нуклеотидов (DNA mismatch repair). Она требуется, когда в процессе удвоения ДНК при клеточном делении возникают неправильные пары нуклеотидов, например, аденин может соединиться с цитозином, а не с тимином. В этом случае клетке важно заменить именно ошибочно возникший нуклеотид, а не его напарника на соседней цепочке, который стоит на своем месте. Как установили ученые, здесь также используется метилирование ДНК. У большинства бактерий ошибочные нуклеотиды, как правило, содержатся на одной из двух цепочек ДНК – дочерней, которая была только что достроена. При этом исходная цепочка содержит присоединенные к ней метильные группы, а дочерняя пока неметилирована. Поэтому ее можно отличить, а дальше использовать уже известный механизм: вырезать, заменить, сшить.

 

Репарация ошибочно спаренных нуклеотидов у эукариот, большинства бактерий и у бактерии E. coli

Подробное исследование этого механизма заняло у Пола Модрича десять лет. В 1989 году он опубликовал статью, где было показано и подтверждено экспериментами, какие ферменты участвуют в исправлении ошибочно спаренных нуклеотидов.

Помимо описанных систем за последние годы открыты и другие способы репарации ДНК, используемые в живых клетках. Установлена связь нарушений в работе систем ремонта ДНК со многими формами рака. Как выяснили ученые, часто плохая работа систем репарции играет на руку раковым клеткам: они начинают значительно чаще мутировать, и по этой причине могут стать устойчивыми к химиотерапии. Но биологи научились использовать этот механизм и при разработке новых лекарств от рака. Если им удается подавить оставшиеся у раковых клеток механизмы репарации, это приводит к замедлению или полной остановке роста опухоли. Примеров такого лекарства – Olaparib, который ингибирует один из ферментов, задействованных в репарации ДНК.

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
Подпишитесь
чтобы вовремя узнавать о новых спектаклях и других мероприятиях ProScience театра!
3D Apple Facebook Google GPS IBM iPhone PRO SCIENCE видео ProScience Театр Wi-Fi альтернативная энергетика «Ангара» античность археология архитектура астероиды астрофизика Байконур бактерии библиотека онлайн библиотеки биология биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера бозон Хиггса визуальная антропология вирусы Вольное историческое общество Вселенная вулканология Выбор редакции гаджеты генетика география геология глобальное потепление грибы грипп демография дети динозавры ДНК Древний Египет естественные и точные науки животные жизнь вне Земли Западная Африка защита диссертаций землетрясение зоопарк Иерусалим изобретения иммунология инновации интернет инфекции информационные технологии искусственный интеллект ислам историческая политика история история искусства история России история цивилизаций История человека. История институтов исчезающие языки карикатура католицизм квантовая физика квантовые технологии КГИ киты климатология комета кометы компаративистика компьютерная безопасность компьютерные технологии коронавирус космос криминалистика культура культурная антропология лазер Латинская Америка лженаука лингвистика Луна мамонты Марс математика материаловедение МГУ медицина междисциплинарные исследования местное самоуправление метеориты микробиология Минобрнауки мифология млекопитающие мобильные приложения мозг Монголия музеи НАСА насекомые неандертальцы нейробиология неолит Нобелевская премия НПО им.Лавочкина обезьяны обучение общество О.Г.И. открытия палеолит палеонтология память педагогика планетология погода подготовка космонавтов популяризация науки право преподавание истории происхождение человека Протон-М психология психофизиология птицы ракета растения РБК РВК регионоведение религиоведение рептилии РКК «Энергия» робототехника Роскосмос Роспатент русский язык рыбы Сингапур смертность Солнце сон социология спутники старообрядцы стартапы статистика технологии тигры торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология Фестиваль публичных лекций физика физиология физическая антропология фольклор химия христианство Центр им.Хруничева школа эволюция эволюция человека экология эпидемии этнические конфликты этология ядерная физика язык

Редакция

Электронная почта: politru.edit1@gmail.com
Адрес: 129343, Москва, проезд Серебрякова, д.2, корп.1, 9 этаж.
Телефоны: +7 495 980 1893, +7 495 980 1894.
Стоимость услуг Полит.ру
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003г. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2014.