​Ученые установили, каким образом фермент репарации NEIL-1 определяет участки ДНК человека, требующие «починки». Этот механизм совпадает с процессом распознавания поломок другими подобными ферментами у людей и прочих живых организмов. Работа опубликована в Journal of Molecular Biology

В каждом организме постоянно случаются повреждения ДНК. Они могут возникать спонтанно, а могут быть вызваны окислительным стрессом, ультрафиолетовым излучением, радиацией, старением и еще множеством разнообразных факторов. Одних окислительных повреждений у человека в сутки происходит около 10 000.
 
Большинство неполадок устраняется естественным образом благодаря системе репарации — с помощью специальных белков-ферментов. Они стоят на страже сохранности генетической информации и должны молниеносно реагировать на любые виды повреждений. В противном случае последствия для клеток могут быть тяжелыми: их ждут мутации, гибель, злокачественные перерождения.
 
Обнаружение повреждений — не простая задача. ДНК состоит из нуклеотидов, которые, в свою очередь, состоят из азотистых оснований, остатка дизоксирибозы и фосфатной группы. Чаще всего поломки происходят в азотистых основаниях. При этом нуклеотидов в ДНК человека — 3,2 миллиарда, а поврежденный участок иногда отличается от неповрежденного лишь несколькими атомами.
 
Как ферменты узнают проблемные участки? Этот вопрос долгие годы изучают в Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (до 2003 года — Новосибирский институт биоорганической химии СО РАН). Начало работе было положено еще в начале 1990-х благодаря усилиям директора института академика Дмитрия Георгиевича Кнорре.
 
По словам старшего научного сотрудника ИХБФМ СО РАН доктора химических наук Никиты Александровича Кузнецова, накопилось достаточно данных, свидетельствующих о том, что у многих ферментов механизм узнавания и устранения поломок схожий. «Чаще всего необъемные повреждения ДНК устраняются с помощью так называемой эксцизионной репарации оснований (от англ. excision — вырезание. — Прим. ред.), когда фермент буквально вырезает поврежденный нуклеотид. Упрощенно эту систему можно представить в виде четырех этапов, — рассказывает ученый. — Первый этап инициируют ферменты, которые называются ДНК-гликозилазы. Их задача заключается в том, чтобы найти среди множества нормальных оснований поврежденное. Всего у человека 11 ДНК-гликозилаз, и у них есть специализация: разные ферменты узнают разные повреждения».
 
Из данных рентгеноструктурного анализа известно, что гликозилаза вынуждает ДНК изгибаться. В результате поврежденный нуклеотид выворачивается из нее и попадает в активный центр фермента. Здесь происходит химическая реакция, приводящая к вырезанию поврежденного основания. Затем в процесс включаются другие ферменты, которые ответственны за следующие три этапа репарации: подготовку места разрыва для починки, встраивание правильного нуклеотида и сшивку концов ДНК. 
 
Однако рентгеноструктурный анализ дает представление о статичной структуре комплекса фермента и ДНК. А в лаборатории исследования модификации биополимеров ИХБФМ СО РАН регистрируют процесс взаимодействия фермента и ДНК в режиме реального времени, наблюдая интенсивность свечения флуоресцентных молекул. «В молекуле фермента содержатся остатки триптофана, флуоресцирующие сами по себе. С ДНК сложнее: для того чтобы регистрировать изменения в ней, мы используем синтетические дуплексы олигонуклеотидов, которые помимо поврежденного нуклеотида содержат флуоресцентную группу», — объясняет Никита Кузнецов.
 
Ученые выяснили, что в процессе узнавания поврежденной ДНК фермент претерпевает конформационные изменения. Можно сказать, он «думает», постепенно изменяя свою структуру, перед тем как образовать комплекс с поврежденным нуклеотидом. «Вначале гликозилаза связывается с ДНК в произвольном месте, а затем начинает поиск поврежденных оснований, перемещаясь вдоль молекулы, как иголка проигрывателя по дорожке пластинки, — говорит исследователь. — У фермента есть несколько аминокислотных остатков, и мы выяснили, что один из них всегда выступает сенсором, сигнализирующим о проблемных участках. В таких местах гликозилаза останавливается, инициирует изгибание ДНК и выворачивание поврежденного нуклеотида. В эту полость встраиваются аминокислотный остаток-сенсор и еще несколько помощников. На каждом из этих шагов происходит специфическое узнавание и верификация, фермент всё больше убеждается, есть повреждение или нет».
 
Впервые этот механизм сибирские ученые обнаружили у фермента бактерий, носящего название FPG. В новой работе с ним сравнивается схожий по структуре фермент человека NEIL-1, а также еще один бактериальный фермент NEI. Исследователи показали, что, несмотря на разный аминокислотный состав, у всех трех гликозилаз одинаковый механизм конформационной подстройки.
 
В ИХБФМ СО РАН также сравнили между собой ДНК-гликозилазы, имеющие другую структурную организацию, и у них эти механизмы оказались схожими. Теперь ученые планируют сопоставить разные структурные семейства. «Те механизмы, которые мы увидели, встречаются в зарубежных работах применительно к другим ферментам. Велика вероятность, что множество ДНК-гликозилаз в живой природе работают схожим образом. Думаю, в обозримом будущем это удастся окончательно выяснить и применять полученные знания на практике», — рассказывает Никита Кузнецов. 
 
Понимая процессы узнавания повреждений, можно выяснять, насколько хорошо работают те или иные ферменты у конкретного человека. В ИХБФМ СО РАН в последние годы разрабатывают ДНК-зонды, определяющие активность тех или иных ферментов. Это важно при подборе правильной химиотерапии для лечения онкологических заболеваний. Действие такого лечения направлено на разрушение клеток, и в этом случае нужно подбирать препараты, с которыми система репарации пациента не сможет быстро справиться.
 
Кроме того, с помощью ДНК-зондов можно оценить устойчивость организма человека, занятого вредной работой, например, на химическом производстве или в условиях повышенной радиации. «Если заглянуть еще дальше, с помощью ДНК-зондов мы, вероятно, сможем обнаружить соединения, которые будут влиять на активность фермента, увеличивая или уменьшая ее, и использовать это для медицинских целей», — делится планами Никита Кузнецов. 
 
Александра Федосеева
 

Источники

Как найти сломанную ДНК
Наука в Сибири (sbras.info), 17/04/2019
Ученые Сибири научились быстро искать "поломанные" ДНК человека. Это поможет в лечении онкологии
Seldon.News (news.myseldon.com), 17/04/2019
Ученые Сибири научились быстро искать "поломанные" ДНК человека. Это поможет в лечении онкологии
ВСЁ в Красноярске - 2-999-999 (2-999-999.ru), 17/04/2019
Ученые Сибири научились быстро искать "поломанные" ДНК человека. Это поможет в лечении онкологии
NewsLab.ru, 17/04/2019
Ученые Сибири научились быстро искать "поломанные" ДНК человека. Это поможет в лечении онкологии
Krskplus.ru, 17/04/2019
Ученые Сибири научились быстро искать "поломанные" ДНК человека. Это поможет в лечении онкологии
Gorodskoyportal.ru/krasnoyarsk, 17/04/2019
Новосибирские ученые выяснили, как ферменты определяют участок ДНК, требующий "ремонта"
Новосибирские новости (nscn.ru), 17/04/2019
Как найти сломанную ДНК
Portalinweb.com, 17/04/2019
Как найти сломанную ДНК
Media Mag (mag-m.com), 17/04/2019
Как найти сломанную ДНК
Популярная механика (popmech.ru), 17/04/2019
Как найти сломанную ДНК
Pcnews.ru, 17/04/2019
Новосибирские биологи выяснили, как ферменты "чинят" повреждения ДНК
Российская газета (rg.ru), 18/04/2019
Ученые исследовали динамику работы белка, восстанавливающего ДНК
Индикатор (indicator.ru), 18/04/2019

Похожие новости

  • 22/07/2016

    В Новосибирске испытают лекарство будущего

    ​Новосибирские ученые впервые в мире синтезировали новый аналог нуклеиновых кислот, эффективность лекарства будущего против ВИЧ проверят в центре вирусологии "Вектор", сообщил замдиректора ИХБФМ СО РАН по научной работе Дмитрий Пышный.
    1731
  • 27/06/2017

    Новосибирские биологи стали участниками нового геномного проекта

    ​Ученые Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН примут участие в международном проекте по секвенированию генома всех видов эукариотов, то есть живых организмов, клетки которых содержат ядро - об этом рассказал заместитель директора ИМКБ СО РАН по научной работе доктор биологических наук Александр Сергеевич Графодатский на открытии II Всероссийской конференции "Высокопроизводительное секвенирование в геномике".
    1090
  • 20/01/2016

    Новый метод борьбы с инфекциями вместо антибиотиков

    ​Новосибирские ученые создали вещества, которые могут кардинально изменить принципы лечения многих, в том числе самых тяжелых болезней. Например, навсегда уйдут в прошлое антибиотики, их заменят "волшебные пули", которые будут поражать гены вирусов, а также подавлять активность онкогенов, ответственных за злокачественный рост клеток.
    1751
  • 19/04/2017

    Ученые установили, что управляет термогенезом

    ​Ранее считалось, что в термогенезе - процессе выработки тепла - ключевую роль играют макрофаги, один из видов белых клеток крови. Однако ученые из Школы медицины Икан на горе Синай (Icahn School of Medicine at Mount Sinai) в США во главе с профессором медицины Кристофом Бюттнером (Christoph Buettner) доказали, что за термогенез отвечает мозг.
    1214
  • 12/11/2018

    Сибирские ингибиторы препаратов против рака проходят доклинические испытания

    ​Ученые Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, Новосибирского института органической химии им. Н. Н. Ворожцова СО РАН и ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» нашли эффективные белковые мишени для разработки препаратов против рака прямой кишки, легких и кишечника.
    498
  • 10/05/2018

    Эффективность лактаптина может быть повышена

    ​Разработчики противоракового средства нашли метод его адресной доставки к опухоли. Как рассказал заместитель директора Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН кандидат биологических наук Владимир Александрович Рихтер, лактаптин успешно прошел полный цикл доклинических испытаний и ожидает регистрации Минздрава РФ для перехода на последний, клинический этап.
    759
  • 15/03/2018

    Новосибирские ученые разрабатывают новое лекарство против клещевого энцефалита

    ​Молодой ученый Сибирского отделения РАН получил президентский грант. Новосибирец с коллегами занимается разработкой нового лекарства против клещевого энцефалита.  Два года назад журналисты ОТС уже рассказывали, что ученые проводили доклинические испытания на мышах и доказали: полученное лекарство в сотни раз эффективней иммуноглобулина и абсолютно нетоксично.
    660
  • 21/03/2016

    Ученые определят рак груди по анализу крови

    ​Ученые Института химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения РАН занимаются исследованием маркеров, характерных для опухолевых клеток рака молочной железы (РМЖ), в составе циркулирующих в крови экзосом.
    1704
  • 05/09/2017

    ТОП-5 материалов августа на портале SIBMEDA

    Редакция SIBMEDA публикует рейтинг популярных, по мнению читателей, новостей и статей, размещенных на портале в августе.   1. Роспотребнадзор изымает из обращения два популярных анестетика из-за развития нежелательных реакций Роспотребнадзор сообщает о решении приостановить реализацию лекарственных препаратов «Лидокаин, раствор для инъекций 100 мг/мл 2 мл» и «Новокаин, раствор для инъекций 5 мг/мл 10 мл» в связи с развитием нежелательной реакции.
    807
  • 23/08/2018

    Здесь создают здоровье нации

    ​Сегодня о проекте "Академгородок 2.0" говорят много: каким он станет, что войдет в его структуру, как это позволит развивать науку и главное - чем будет полезен людям? И только создание Биоцентра, кажется, не вызывает вопросов - необходимость разработки суперсовременных лекарственных препаратов очевидна даже обывателям.
    495