Зачем нужна репарация ДНК?

В ДНК закодирована генетическая информация любого живого организма, а поэтому она должна храниться в неизменном виде, чтобы избежать нарушений в работе клетки. Однако ДНК постоянно подвергается атаке опасных агентов, таких как ультрафиолет и активные формы кислорода. Избежать вредоносных воздействий невозможно, поэтому в клетке работают специальные «службы ремонта» ДНК — системы репарации [1, 2].

Как репарируются одноцепочечные разрывы свободной от белков ДНК?

ДНК в ядре эукариотической клетки находится в составе хроматина — конденсированного белково-нуклеинового комплекса, — а поэтому очень плотно упакована. Упаковка генетического материала играет важную роль в регуляции экспрессии генов: эффективно считываться (экспрессироваться) может только «распутанная» ДНК. Единицей хроматина является нуклеосома — ДНК, «намотанная» на основные хроматиновые белки — гистоны [3]. Нуклеосомы расположены примерно через каждые 200 пар нуклеотидов.

Таким образом, в клетке есть как свободная от белков ДНК, так и связанная с гистонами, но повредиться может и та, и другая. Самый распространенный тип повреждений ДНК — это одноцепочечные разрывы. Они опасны тем, что при их накоплении увеличивается вероятность нарушений и перестроек в геноме [4]. Это влечет за собой появление различных заболеваний, в том числе нейродегенеративных. В клетке есть специальные белки, которые сканируют свободную ДНК, узнают одноцепочечные разрывы и, в случае чего, запускают соответствующие реакции репарации.

А вот с нуклеосомной ДНК дело обстоит сложнее — разрывы в ней маскируют гистоны. За счет нуклеосом ДНК — молекула длиной в пару метров — упаковывается до микроскопических размеров, которые позволяют генетическому материалу поместиться в ядро. Взаимодействия с гистонами необходимы для правильной упаковки генома, но делают ДНК недоступной для сканирующих ее белков [5].

Как репарируются нарушения в структуре нуклеосомной ДНК?

Нарушения в структуре нуклеосомной ДНК тоже репарируются, но не до конца изучено, как именно. Сенсором в данном случае может служить РНК-полимераза. Наталкиваясь на поврежденный участок ДНК, фермент останавливается, а «застрявшая» РНК-полимераза — это сигнал системам репарации. У данного механизма есть один недостаток. Дело в том, что таким образом могут узнаваться только разрывы в матричной цепи ДНК (той, с которой идет синтез РНК). Однако показано, что разрывы в нематричной цепи также репарируются с высокой эффективностью [5].

Каким же образом это происходит, раз РНК-полимераза не может «чувствовать» такие разрывы? Российские ученые — под руководством доктора биологических наук Студитского Василия Михайловича — предложили интересный механизм, объясняющий, как происходит регистрация таких разрывов. Они показали, что нарушения в структуре нематричной цепи нуклеосомной ДНК также влияют на скорость движения РНК-полимеразы [5].

Ученые, исследуя транскрипцию в хроматине, использовали в качестве модельной системы мононуклеосомы, к которым был прикреплен промотор. Оказалось, что разрывы в нематричной цепи нуклеосомной ДНК радикально влияют на транскрипцию. Если одноцепочечный разрыв находится ближе к промотору (в проксимальной части нуклеосомы), то он вызывает остановку РНК-полимеразы. А если далеко от промотора (в дистальной части нуклеосомы), то, наоборот, ускоряет транскрипцию. Эффект замедления РНК-полимеразы показался исследователям более интересным, потому что, как известно, остановка транскрипции — это сигнал к репарации ДНК. Поэтому далее, изучая этот эффект подробнее, установили положение особенно критических для транскрипции точек. Например, одноцепочечный разрыв в положении +12 нематричной цепи нуклеосомной ДНК останавливает РНК-полимеразу более чем в 90% случаев (здесь и далее положения указаны от начала нуклеосомы).

Интересно, что фермент замирает не в месте разрыва нематричной цепи, а в определенных позициях: +24, +34, +44, которые находятся после разрыва. Видимо, в этих точках РНК-полимераза может заключаться во внутринуклеосомную петлю: то есть связи ДНК и гистонов восстанавливаются как перед ферментом, так и после него (рис. 1). Ученые полагают, что такие петли возникают и в норме, но нарушения в структуре нуклеосомы делают их более устойчивыми и трудноразрешимыми. Такая модель впервые объясняет биологическую роль так называемых топологических замков (topological locks), с которыми сталкиваются все ферменты, «читающие» ДНК эукариот.

Таким образом, хроматин и РНК-полимераза, объединяясь, могут служить сенсором повреждений генома там, где другие системы этого сделать не в состоянии.

Литература

1. В лунном свете, или Тайная жизнь Ku-антигена;
2. На страже ДНК, или функции белка РАХХ;
3. Транскрипция в хроматине: как проходить сквозь стены;
4. Хромотрипсис: разобрать и собрать хромосому;
5. Pestov N.A., Gerasimova N.S., Kulaeva O.I., Studitsky V.M. (2015). Structure of transcribed chromatin is a sensor of DNA damage. Science Advances. 1 (6). doi: 10.1126/sciadv.1500021..