Лента TH Статьи о науке и технике


«AlkD» обнаруживает и удаляет поврежденные алкилированные основания

∴ 105

Аспирант Эмили Рубинсон (Emily Rubinson) у монитора компьютера, на котором микрофотография кристалла фермента AlkD. Выяснение того, как кристаллизуются белки — первый шаг в процессе установления их молекулярной структуры.

Имеющая форму двойной спирали ДНК представляет собой необходимую для жизни химическую программу, руководящую всеми происходящими в клетке процессами. Поэтому устранение повреждений и сохранение целостности ДНК — один из главных приоритетов клетки. Ученые из Университета Вандербильта (Vanderbilt University), Университета штата Пенсильвания (Pennsylvania State University) и Университета Питтсбурга (University of Pittsburgh) открыли принципиально новый механизм, с помощью которого ферменты репарации ДНК обнаруживают и исправляют повреждения химических оснований — букв генетического кода.

Об открытии сообщается в интернет-издании журнала Nature. «Существует всеобщее убеждение, что ДНК — это очень стабильная ‘‘твердая скала’’», — говорит Брандт Эйхман (Brandt Eichman), адъюнкт-профессор кафедры биологических наук Университета Вандербильта, руководивший проектом. «На самом же деле ДНК обладает высокой реакционной способностью».

В течение дня в ДНК только одной клетки человеческого организма повреждается до миллиона оснований. Эти повреждения вызываются комбинацией нормальной внутриклеточной химической активности и воздействия радиации и токсинов из окружающей среды, включая сигаретный дым, жареные продукты питания и промышленные отходы.

«Понимание взаимодействия между белками и ДНК на атомном уровне очень важно, так как является отправной точкой для разработки лекарственных препаратов, способных специфически улучшать или нарушать такие взаимодействия», — говорит Эйхман. «Это приведет к повышению эффективности лечения различных заболеваний, включая рак». Только что открытый новый механизм обнаруживает и устраняет распространенную форму повреждения ДНК — алкилирование. Целый ряд токсинов окружающей среды и химиотерапевтических препаратов способны атаковать ДНК и являются веществами, вызывающими ее алкилирование. При алкилировании азотистого основания ДНК происходит искажение формы молекулы, препятствующее процессу успешной репликации. Если алкилирование происходит в пределах гена, он может перестать функционировать. Что еще хуже, существуют десятки различных типов алкилированных оснований ДНК, каждый из которых по-разному влияет на репликацию. Один из типов репарации таких повреждений, эволюционно развившийся во всех организмах, называется эксцизионной репарацией удалением поврежденных оснований — ЭРО (base excision repair — BER). В процессе ЭРО специальные ферменты, известные как ДНК-гликозилазы, продвигается по молекуле ДНК в поисках таких повреждений.

Сталкиваясь с одним из них, они разрывают связь между парами оснований и удаляют деформированное основание из двойной спирали биополимера. Фермент имеет «карман» — полость специфической формы, которая удерживает деформированное основание, что позволяет удалить его, не повреждая «спинной хребет» полимерной молекулы ДНК. В результате этого процесса в структуре ДНК образуется участок, лишенный азотистых оснований (так называемый «abasic site»), который затем восстанавливается другими ферментами. Клетки человеческого организма имеют одну удаляющую алкилированные основания гликозилазу, называемую AAG. Она селективно обнаруживает и удаляет «этеноаденин»- основания, деформированные взаимодействием с окисленными липидами организма, веществами с очень высокой реакционной способностью. Однако AAG занимается и многими другими формами повреждений, вызванных алкилированием.

«Изучая AAG, трудно понять, как гликозилаза распознает различные типы алкилированных оснований, так как она распознает слишком большое их количество», — говорит Эйхман. «Поэтому, чтобы глубже понять процесс обнаружения и восстановления, мы изучали гликозилазы бактерий».

В результате ученые открыли бактериальную гликозилазу AlkD с ее уникальным механизмом обнаружения и удаления поврежденных оснований. Все известные гликозилазы работают примерно по одной схеме: они выщепляют деформированное основание и задерживают его в специальном полости, пока идет процесс вырезания. В противоположность этому AlkD удаляет из двойной спирали как деформированное основание, так и связанное с ним основание в двойной спирали ДНК. Вероятно, это работает потому, что фермент взаимодействует только с теми деформированными основаниями, которые имеют избыточный положительный заряд, делающий их очень нестабильными.

Такое основание может отделиться даже спонтанно. Но AlkD ускоряет процесс примерно до 100 раз. Эйхман предполагает, что фермент может также оставаться на месте и привлекает к сайту дополнительные ферменты репарации. AlkD имеет молекулярную структуру, которая значительно отличается от структуры других известных ферментов и белков, взаимодействующих с ДНК. Однако она может быть аналогична структуре другого класса ферментов — ДНК-зависимых киназ. Это очень большие молекулы, обладающие небольшим активным центром, играющим определенную роль в регуляции реакции клетки на повреждение ДНК. Для связывания с ДНК AlkD использует несколько палочковидных спиральных структур, называемых HEAT-повторами.

Аналогичные структуры обнаружены у части ДНК-зависимых киназ, однако их функция остается неизвестной. Существует вероятность, что они играют дополнительную, неизвестную пока роль в восстановлении ДНК. Новый репарационный механизм может оказаться ключом к пониманию различий в том, как ферменты репарации выявляют и устраняют токсические и мутагенные повреждения. Это важно, так как мутагенные повреждения, «просмотренные» репарационными механизмами, передаются дочерним клеткам и таким образом могут распространяться, в то время как токсические ограничены исходной клеткой.

Понимание этих различий может привести к созданию более эффективных средств химиотерапии, считает Эйхман. Эти вещества являются сильными алкилирующими агентами, способными повреждать ДНК больного раком. Так как раковые клетки размножаются быстрее, чем нормальные, алкилирующие вещества убивают преимущественно их. Однако, в дополнении к токсическим повреждениям, убивающим клетку, они также приводят к повреждениям, вызывающим мутации, чреватые дополнительными осложнениями. Кроме того, эффективность таких лекарств низка, так как они работают против механизмов репарации организма. Однако если бы удалось получить химиопрепарат, создающий преимущественно токсические повреждения, он был бы более эффективен и имел бы меньше вредных побочных эффектов. В качестве альтернативы, если бы был понят механизм того, как гликозилазы распознают алкилированные основания, было бы возможно создать препарат, специфически подавляющий восстановление токсических, а не мутагенных повреждений.