13 ноября 2017

Обнаружен новый белковый фактор, определяющий выбор пути репарации повреждений ДНК в клетке

Научившись управлять механизмами восстановления ДНК, ученые планируют использовать переключение путей репарации как новый подход к лечению рака



В процессе жизненного цикла клетки репарация двуцепочечных разрывов ДНК может осуществляться по двум конкурирующим механизмам - негомологичное соединение концов (НСК) и гомологичная рекомбинация (ГР). Причем преимущественный выбор пути репарации зависит от фазы клеточного цикла.

Механизм негомологичного соединения концов является своеобразной «скорой помощью» в клетке, он запускается сразу после возникновения повреждений ДНК, распознает разрывы и непосредственно соединяет их. Однако такой способ репарации может приводить к разнообразным вариантам мутаций. Для инициации другого, более сложного пути репарации ДНК-повреждений – гомологичной рекомбинации – требуется больше времени. Сначала на молекуле ДНК вблизи разрыва образуются 3'-нависающие концы. На следующем этапе происходит внедрение 3'-конца поврежденной цепи в другую, целую ДНК, используемую в качестве матрицы (обычно это ДНК гомологичной сестринской хроматиды). Затем возможно два варианта осуществления репаративного синтеза, оба из которых в итоге приводят к восстановлению молекулы в том же виде, в котором та находилась до повреждения. HR ингибируется в фазе G1 клеточного цикла из-за отсутствия на этой стадии сестринских хроматид, однако в S- и G2-фазах оба пути оказываются активными.

Ученые из института биологических исследований Солка (Калифорния) решили разобраться, почему НСК не полностью вытесняет гомологичную рекомбинацию в S- и G2-фазах клеточного цикла. В ходе исследования было обнаружено, что ингибитором НСК является белковый фактор CYREN (cell cycle regulator of non-homologous end joining), изначально открытый как модулятор ретровирусной инфекции.

Эксперименты проводили на клетках фибросаркомы человека. При ингибировании белка TRF2 – одного из основных факторов, участвующих в образовании так называемой Т- петли на концах теломер, которая защищает их от слияния, – ученые наблюдали, с какой частотой будут возникать слияния хроматид и хромосом в области теломер под воздействием различных факторов. Подавление синтеза CYREN в S- и G2-фазах клеточного цикла позволило позволило механизму НСК запускаться в «незащищенных» TRF2 белком теломерах и внутрихромосомных разрывах, что натолкнуло исследователей на мысль о роли CYREN как ингибитора НСК.

Далее с помощью последовательного ингибирования в разные фазы клеточного цикла: ATM (англ. аtaxia telangiectasia mutated) — серин/треониновой протеинкиназы, ДНК-зависимой протеинкиназы, белка RAD51 и других ключевых факторов, участвующих в инициации репарации разрывов ДНК, ученые сделали вывод, что белок CYREN является регулятором НСК, причем его активность строго зависит от фазы клеточного цикла. Однако сам по себе белок не участвует в процессах негомологичного соединения концов и гомологичной рекомбинации, ученые относят его к новому классу регуляторов переключения пути репарации ДНК.

Также было показано, что CYREN лучше всего подавляет НСК в местах разрывов, где образуются нависающие концы, тем самым создавая неконкурентные условия для протекания репарации по механизму ГР. В ходе эксперимента было обнаружено, что CYREN связывается с гетеродимером Ku70/80 (ДНК-зависимая протеинкиназа, инициирующая путь НСК) за счет наличия в своем составе идентифицированного ранее белкового мотива - KBM (Ku-binding motif). Таким образом, благодаря работе CYREN концентрация свободного гетеродимера Ku70/80 в непосредственной близости от разрыва уменьшается, инициация НСК замедляется и тем самым возникает необходимый временной интервал для запуска репарации по механизму ГР.

Также исследователи показали, что из 3 возможных изоформ белка CYREN, формирующихся в результате альтернативного сплайсинга, с гетеродимером Ku70/80 связываются изоформы 1 и 2.

Примечательно также, что, по наблюдениям ученых, CYREN наиболее сильно ингибировал НСК на концах «незащищенных» TRF2-белком теломер, которые, как известно, не обладают когезией друг к другу, в отличие от одноцепочечных, «липких концов», образуемых при искусственных разрывах ДНК в ходе эксперимента. Это позволяет сделать вывод, что CYREN подавляет соединение нависающих концов (собственно НСК), образованных разрывами, расположенными на отдаленных участках ДНК (которые также не обладают взаимной когезией), тем самым предотвращая возникновение транслокаций генетического материала.

Ученые планируют продолжать изучение функций CYREN для более глубокого понимания его роли в регуляции механизмов репарации ДНК на протяжении клеточного цикла. По мнению исследователей, управление этими механизмами может способствовать усилению эффективности противоопухолевой химиотерапии. Например, направленная инициация НСК в раковых клетках во время S и G2 фаз клеточного цикла вызовет их повышенную сенсибилизацию и усилит действие генотоксических противораковых лекарств.

Оригинал статьи

Записаться на генетическую Школу