Исследователи из Университета Торонто обнаружили восстановления ДНК, который расширяет понимание того, как человеческие клетки остаются здоровыми, и который может привести к новым методам лечения рака и преждевременного старения.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Structural and Molecular Biology, также проливает свет на механизм действия некоторых существующих химиотерапевтических препаратов.
«Мы думаем, что это исследование раскрывает загадку того, как двухцепочечные разрывы ДНК и ядерная оболочка соединяются для восстановления в клетках человека», — сказал соруководитель исследования профессор Карим Мехаил. «Это также делает многие ранее опубликованные открытия в других организмах применимыми в контексте восстановления ДНК человека, что должно помочь науке двигаться еще быстрее».
Двухцепочечные разрывы ДНК возникают, когда клетки подвергаются воздействию радиации и химических веществ, а также в результате внутренних процессов, таких как репликация ДНК. Они являются одним из наиболее серьезных типов повреждений ДНК, поскольку могут остановить рост клеток или вызвать его перегрузку, способствуя старению и раку.
Новое открытие, сделанное на человеческих клетках в сотрудничестве с профессором Разкаллой Хакемом и профессором Темерти, расширяет предыдущие исследования повреждений ДНК у дрожжей, проведенные Мехаилом и другими учеными.
В 2015 году Мехаил и его коллеги показали, как моторные белки глубоко внутри ядра дрожжевых клеток транспортируют двухцепочечные разрывы к «больничным» белковым комплексам ДНК, встроенным в ядерную оболочку на краю ядра.
Другие исследования выявили схожие механизмы восстановления ДНК у мух и других организмов. Однако ученые, исследующие аналогичные механизмы в клетках человека и других млекопитающих, сообщили о незначительной подвижности ДНК или ее отсутствии при большинстве разрывов.
«Мы знали, что белки ядерной оболочки важны для восстановления ДНК у большинства этих организмов, поэтому мы задавались вопросом, как объяснить ограниченную подвижность поврежденной ДНК в клетках млекопитающих», — говорит Мехаил.
Ответ одновременно неожиданный и элегантный.
Когда ДНК внутри ядра человеческой клетки повреждается, в цитоплазме вокруг ядра образуется специфическая сеть нитей микротрубочек, которая давит на ядерную оболочку. Это приводит к образованию крошечных трубочек или канальцев, которые достигают ядра и улавливают большую часть двухцепочечных разрывов.
«Это похоже на то, как пальцы давят на воздушный шарик», — говорит Мехаил. «Когда вы сжимаете воздушный шар, ваши пальцы образуют туннели в его структуре, что заставляет некоторые части внешней части воздушного шара проникать внутрь него самого».
Дальнейшие исследования авторов исследования детализировали несколько аспектов этого процесса. Ферменты, называемые киназами реакции на повреждение ДНК и тубулинацетилтрансферазой, являются главными регуляторами этого процесса и способствуют образованию канальцев.
Ферменты наносят химическую метку на определенную часть нитей микротрубочек, что заставляет их рекрутировать крошечные моторные белки и давить на ядерную оболочку. Следовательно, белковые комплексы, способствующие репарации, проталкивают оболочку глубоко в ядро, создавая мосты к разрывам ДНК.
«Это гарантирует, что ядро претерпевает форму обратимой метаморфозы, позволяя оболочке временно проникать в ДНК по всему ядру, захватывая и повторно соединяя поврежденную ДНК», — говорит Мехаил.
Результаты имеют важное значение для некоторых методов лечения рака.
Нормальные клетки используют канальцы ядерной оболочки для восстановления ДНК, но раковые клетки, по-видимому, нуждаются в них больше. Чтобы изучить потенциальное влияние этого механизма, команда проанализировала данные более 8500 пациентов с различными видами рака. Потребность была заметна при некоторых видах рака, включая тройной негативный рак молочной железы, который является очень агрессивным.
«Предпринимаются огромные усилия по выявлению новых терапевтических направлений для больных раком, и это открытие является большим шагом вперед», — говорит профессор Хакем.
«До сих пор ученым не было ясно относительно влияния ядерной оболочки на восстановление поврежденной ДНК в клетках человека. Наше сотрудничество показало, что воздействие на факторы, которые модулируют ядерную оболочку для восстановления поврежденной ДНК, эффективно сдерживает развитие рака молочной железы», — говорит Хакем.
При агрессивном тройном негативном раке молочной железы уровень канальцев повышен, вероятно, потому, что в них больше повреждений ДНК, чем в нормальных клетках. Когда исследователи удалили гены, необходимые для контроля канальцев, раковые клетки стали менее способны образовывать опухоли.
Одним из лекарств, используемых для лечения тройного негативного рака молочной железы, является класс препаратов, называемых ингибиторами PARP. PARP — это фермент, который связывается с поврежденной ДНК и помогает восстанавливать ее. Ингибиторы PARP блокируют восстановление фермента, предотвращая повторное соединение концов двухцепочечного разрыва ДНК в раковых клетках.
Раковые клетки в конечном итоге соединяются с двумя сломанными концами, которые не являются частью одной пары. По мере создания большего количества несовпадающих пар полученные структуры ДНК становятся невозможными для копирования и деления клеток.
«Наше исследование показывает, что способность препарата вызывать эти несовпадения зависит от канальцев. Когда канальцев меньше, раковые клетки становятся более устойчивыми к ингибиторам PARP», — говорит Хакем.
Партнерство между исследователями в различных областях имело важное значение для открытий в отношении раковых клеток. Исследование подчеркивает важность междисциплинарного сотрудничества, говорит Мехаил.
«Интеллектуальный потенциал, стоящий за каждым проектом, имеет решающее значение. Каждый член команды имеет значение. Кроме того, каждый правильный сотрудник, добавленный в исследовательский проект, сродни получению еще одной докторской степени по новой специальности; это мощно», - говорит он.
Мехаил отмечает, что это открытие также имеет отношение к состояниям преждевременного старения, таким как прогерия. Редкое генетическое заболевание вызывает быстрое старение в течение первых двух десятилетий жизни, что обычно приводит к ранней смерти.
Прогерия связана с геном, кодирующим ламин А. Мутации в этом гене снижают жесткость ядерной оболочки. Команда обнаружила, что экспрессии мутантного ламина А достаточно, чтобы индуцировать канальцы, которые дополнительно усиливают агенты, повреждающие ДНК. Команда считает, что даже слабое давление на ядерную оболочку стимулирует образование канальцев в преждевременно стареющих клетках.
Результаты показывают, что при прогерии репарация ДНК может быть нарушена из-за присутствия слишком большого количества или плохо регулируемых канальцев. Результаты исследования также имеют значение для многих других клинических состояний, говорит Мехаил.
«Интересно думать о том, куда эти открытия приведут нас дальше», — говорит Мехаил. «У нас есть отличные коллеги и замечательные стажеры здесь, в Темерти Медицине и в наших партнерских больницах. Мы уже работаем над этим открытием и используем нашу работу для создания новых методов лечения».
