На пресс-конференции во время объявления имен нобелевских лауреатов по химии прозвучало несколько интересных вопросов от журналистов, и один из них — «Почему же Нобелевский комитет не дал за это премию раньше?» Причина номинации действительно значимая, но дело в том, оправдывались члены комитета, что каждый год они рассматривают четыре сотни номинантов, и наградить всех невозможно.

Главный поставщик предположений о том, кто (не) станет нобелиатом в текущем году — агентство Thomson Reuters. На сей раз оно снова не угадало с лауреатами. Впрочем, надо признать, что в этом году предположения оказались довольно близки к реальности. Прогноз агентства состоял в том, что Нобелевскую премию в этом году получат:

1. либо изобретатели литий-ионных аккумуляторов, которые сейчас используются и в телефонах, и в водителях сердечного ритма;
2. либо те, кто открыл систему CRISPR/Cas9, благодаря которой в будущем можно будет редактировать геном человека;
3. либо ученые, разработавшие методику проведения биоортогональных химических реакций — таких, которые можно проводить в живых клетках без боязни их повредить.

Темы, бесспорно, важные. Два варианта из трех очень тесно связаны с биологией — может быть, даже теснее, чем с химией. Но... мимо. Реальная формулировка премии в этом году звучит так: «За раскрытие механизмов репарации ДНК».

Выходи по одному: Томас Линдаль и эксцизионная репарация оснований

Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты очень длинная, она состоит из двух цепочек по несколько сотен тысяч нуклеотидов в каждой. Одна из составляющих каждого нуклеотида — азотистое основание, то есть их в ДНК тоже сотни тысяч. Всего в ДНК четыре разных вида таких оснований — аденин (A), тимин (T), гуанин (Г) и цитозин (Ц). В РНК роль тимина исполняет урацил (У). По молекулярному строению они все очень похожи и в некоторых условиях могут трансформироваться друг в друга. Проще всего проходит трансформация цитозина в урацил: первому достаточно потерять свою аминогруппу.

В то же время, от того, в каком порядке будет расположено множество нуклеотидов ДНК, зависит строение синтезируемых клеткой белков, а значит, и большинство признаков организма. Соответственно, если на место какого-нибудь Ц встанет У, последствия для организма могут быть значительными — особенно если учесть тот факт, что азотистые основания во время синтеза ДНК оказываются не на своем месте примерно в одном случае из тысячи. Ричард Докинз в книге «Слепой часовщик» приводит красочный пример того, что происходило бы, не будь возможности исправить такие ошибки в ДНК. Представьте себе ряд наборщиц текста, которым нужно перепечатать объемную книгу. Одна девушка набирает страницу текста и передает ее другой. Та не знает, как выглядел изначальный текст, и может использовать только листок от предыдущей в ряду. Даже очень хорошая наборщица делает в среднем одну опечатку на страницу. Без возможности ее исправить текст уже к тысячной наборщице превращается в бессмысленную кашу [1]. То же самое происходило бы с генами эмбриона животного задолго до образования у него органов, если бы не существовало механизмов исправления ошибок в расположении азотистых оснований.

Все это знал Томас Линдаль. В начале 1970-х годов он обнаружил у бактерий фермент, отыскивающий ошибки в расположении азотистых оснований. Фермент назвали ДНК-гликозилазой. В 1986 году Линдалю удалось выделить и клонировать ген этого фермента и расшифровать механизм работы ДНК-гликозилазы. Выяснилось, что гликозилаза находит и вырезает один-единственный нуклеотид с «чужим» азотистым основанием. Затем он заменяется на «правильный», после чего фермент лигаза сшивает разрезанные куски цепи ДНК. Вырезание — это эксцизия, а поскольку вырезается только одно азотистое основание, процесс назвали base excision repair — эксцизионная репарация оснований (рис. 1). В 1996 году эксцизионную репарацию оснований удалось воспроизвести в клетках человека [2].

Азиз Санджар и бактерии против ультрафиолета

Азиз Санджар получил первое высшее образование по медицине в Стамбуле и несколько лет после выпуска проработал врачом. Впрочем, Санджар довольно быстро понял, что медицина — не совсем его профиль, и начал изучать биохимию. Больше всего его увлекал один факт, похожий на магию: если бактерии облучить большой дозой ультрафиолета (достаточной, чтобы нарушить последовательность нуклеотидов в ДНК), а потом посветить на них синим светом, повреждения ДНК у таких бактерий восстанавливаются. Работая в Техасском университете в Далласе под руководством Клода Руперта, в 1976 году Санджар обнаружил фермент, ответственный за «чудесное исцеление» бактерий — фотолиазу. Фотолиаза стала темой диссетрации Санджара на соискание степени доктора философии.

К сожалению, репарация ДНК бактерий под действием синего света мало интересовала большинство лабораторий. Из-за этого Азиза никуда не хотели брать постдоком. Чтобы продолжить научную карьеру и при этом работать над интересной для себя темой, Азиз Санджар устроился лаборантом в Йель. Работая там, Санджар обнаружил второй механизм фоторепарации (восстановления структуры ДНК после повреждений ультрафиолетом) — эксцизионную репарацию нуклеотидов (рис. 2). У бактерий она обеспечивается совместным действием ферментов, которые синтезируются на основе информации генов uvrA, uvrB и uvrC.

Под действием ультрафиолета соседние тимины в одной цепочке ДНК образуют ковалентную связь друг с другом. При этом водородная связь между двумя цепочками ДНК в месте комплементарного взаимодействия тимина и аденина второй цепочки рвется. Это приводит к дальнейшим ошибкам при удвоении ДНК. Отсоединить один тимин от другого сложно, поэтому логичнее вырезать небольшой кусок ДНК, на котором они находятся, и вставить на его место правильную последовательность неповрежденных нуклеотидов. Этим последовательно занимается фермент эксцинуклеаза (вырезает 12 нуклеотидов, в том числе злосчастные тимины), а также уже знакомые нам ДНК-полимераза (вставляет нужную последовательность нулеотидов) и ДНК-лигаза (сшивает отрезки одной цепи ДНК). У людей подобный механизм тоже имеет место. Более того, те, у кого гены-аналоги uvrA, uvrB и uvrC содержат мутации, подвержены большему риску рака кожи: ультрафиолет оказывает более пагубное влияние на ДНК их клеток кожи [2].

Пол Модрич и несовпадение нуклеотидов

Пол Модрич родился и вырос в США, сейчас он работает в медицинском институте Говарда Хьюза. Отец Модрича, учитель биологии, через год после вручения Нобелевской премии Уотсону и Крику настоял на том, чтобы его сын обратил внимание не только на ботанику и зоологию, но и на «эту историю с ДНК». Пол последовал совету отца, и вскорости изучение ДНК стало всем делом его жизни. Модрич стал аспирантом в Стэнфорде, а позднее — постдоком в Гарварде.

Пол изучал то, как проходят процессы метилирования ДНК и зачем они нужны. Метилирование — это присоединение метильных группы (-CH₃) к нуклеотидам ДНК. Метильные группы могут служить ориентирами для других ферментов, взаимодействующих с ДНК. Например, они могут подавать сигнал «резать здесь» для рестриктазы. Помимо этого, как показали Пол Модрич и его коллега Мэттью Мезельсон, у метилирования ДНК есть еще одна функция. Участки для метилирования выбираются не случайно. Как правило, это те фрагменты ДНК, на которых нуклеотиды обеих цепочек соединены комплементарно, то есть А стоит напротив Т, Г стоит напротив Ц, и наоборот. Там, где нуклеотиды соседних цепей не образуют комплементарные пары (т.е. имеет место несостыковка — mismatch), метилирование происходит редко. Это сигнал для ферментов MutL и MutS о том, что перед ними неверная последовательность ДНК, часть нуклеотидов которой нужно заменить. Таким образом, MutL и MutS запускают процесс репарации ошибочно спаренных оснований, а завершают его все те же рестриктаза и лигаза [2].

Как и в случае репарации, описанной Азизом Санджаром, нарушение репарации ошибочно спаренных оснований приводит к заболеваниям у человека, — например, к пигментной ксеродерме, состоянию, когда выход на солнце может многократно повысить риск рака кожи у человека. Кроме того, некоторые наследуемые виды рака прямой кишки также вызываются неполадками в репарации ошибочно спаренных оснований [3].

Заключение

Нобелевская премия по химии в этом году получилась в духе классических тем «Биомолекулы» — одновременно молекулярно-биологическая и с направленностью в биомедицину. Открытия, которые номинировали на премию, уже нашли реальное практическое применение в онкологии и медицине наследственных заболеваний. В этом их отличие от основного предполагаемого претендента на премию — системы CRISPR/Cas9. Последняя, безусловно, вещь прорывная, но пока чисто фундаментальная и на практике к человеку не применимая. Впрочем, стоит учесть, что изначально работы Санджара, Линдаля и Модрича тоже носили характер фундаментальных. Часть из них была проведена исключительно из любопытства. Об этом в своем интервью напоминает Пол Модрич: «Вот поэтому стоит изучать не только то, что выгодно в данный момент, но и то, что тебе просто интересно. Никогда не знаешь, куда такие исследования заведут... Впрочем, немного удачи никогда не помешает».

Литература

1. Докинз Р. Слепой часовщик. Как эволюция доказывает отсутствие замысла во Вселенной. М.: Corpus, 2015. — 496 c.;
2. The Nobel Prize in Chemistry. (2015). Описание достижений нобелевских лауреатов на сайте Шведской королевской академии наук;
3. Lindahl T., Wood R.D. (1999). Quality control by DNA repair. Science. 286, 1897–1905..