В день на одну клетку приходится около миллиона повреждений структуры ДНК. Она может страдать от оксидативного стресса, стресса из окружающей среды (ультрафиолета, космического излучения). Кроме того, в повреждения ДНК вносит вклад воздействие некоторых веществ, например возникающих при сгорании топлива, курении. Сами по себе эти вещества могут быть нейтральными, но, воссоединяясь в клеточной среде с окислительными формами кислорода, они приобретают реакционную способность и присоединяются к ДНК, тем самым искажая ее структуру. Каждое из описанных типов повреждений исправляется специальными механизмами репарации (их много — шесть основных и несколько дополнительных), привлекающими разные ансамбли белков.
«В нашей лаборатории мы занимаемся системами репарации, которые сопротивляются оксидативному стрессу. Он естественен для клетки, поскольку происходит из-за идущих в ней метаболических процессов; возникающие во время таких процессов активные формы кислорода повреждают ДНК, — рассказывает заведующая лабораторией биоорганической химии ферментов ИХБФМ СО РАН член-корреспондент РАН Ольга Ивановна Лаврик. — Благодаря гранту РНФ мы выполнили объемные исследования этой системы, изучили ее у человека, а также у голого землекопа в сравнении с мышью. Нас интересовало, как работает белковая машина, осуществляющая репарацию повреждений ДНК».
Раньше считалось: в процессе репарации поврежденная ДНК просто переходит от одного белка к другому, как эстафетная палочка, но сибирским ученым удалось опровергнуть эту гипотезу. Оказалось, что белки, осуществляющие репарацию, находятся в достаточно интенсивных взаимодействиях на уровне хроматина в клеточном ядре. То есть они как бы заранее собраны в предформированный комплекс. Это обеспечивает скорость реагирования: как только ДНК повреждается под действием оксидативного стресса, комплекс мгновенно реорганизуется, и на повреждение «усаживаются» уже целевые белки, непосредственно участвующие в репарации повреждения.
«Представляет большой интерес ответить на вопросы, как именно в клеточном ядре передается сигнал о повреждении ДНК и как происходит последующая реорганизация белковых машин, ответственных за репарацию», — говорит Ольга Лаврик.
Процесс восстановления структуры ДНК после воздействия оксидативного стресса проводит система репарации оснований. Именно основания, «торчащие» из структуры ДНК, прежде всего подвергаются окислению. Затем они удаляются из ДНК, и структура восстанавливается до исходной последовательным действием нескольких ферментов и белковых факторов.
Один из важнейших регуляторов процесса репарации был открыт довольно давно. Речь идет о ферменте поли(АДФ-рибоза)-полимераза (PARP1), который является специфическим для клеток всех высших организмов, в том числе и человека. Сибирские ученые установили его необычные функции в процессе репарации. Они показали: PARP1 взаимодействует со структурами ДНК, образующимися при оксидативном стрессе, и регулирует активность отдельных белков репарации. Кроме того, он участвует в создании специфической среды, которая организует в единую функциональную систему поврежденную ДНК и белки, восстанавливающие повреждения. «PARP1 синтезирует протяженный полимер — поли(АДФ-рибозу), который организует комплекс белков и поврежденной ДНК в единую структуру — компартмент, представляющий собой что-то вроде сетки. В такой структуре белки оказываются вблизи повреждений ДНК. Мы считаем, что этот супрамолекулярный комплекс необходим для эффективной репарации, и нам впервые удалось его детектировать методом атомно-силовой микроскопии», — говорит исследовательница.
В лаборатории биоорганической химии ферментов ИХБФМ СО РАН работают и с другой системой восстановления структуры ДНК, которая удаляет объемные повреждения, возникающие под действием УФ-облучения либо химиотерапевтических препаратов.
«Считается, что это совершенно другой комплекс белков, но оказалось, что белки репарации, относящиеся к одному механизму, могут участвовать и в других. То есть они бывают взаимозаменяемыми, прослеживается их миграция внутри ядра», — отмечает Ольга Лаврик.
Исследования механизмов репарации очень важны для медицины — практически все белки, задействованные в этом процессе, являются мишенями для создания лекарств. Например, с их помощью подавляется развитие раковых клеток. Сегодня ученые пытаются найти универсальный ингибитор, способный подавить сразу несколько процессов репарации (и такой мишенью как раз может являться поли(АДФ-рибоза)-полимераза1). Кроме того, ведутся поиски более специфических белковых мишеней, отвечающих только за определенные механизмы «починки». И здесь не обойтись без фундаментальных исследований.
«Ингибиторы некоторых ферментов репарации в нашем институте уже созданы и находятся в доклинических испытаниях. Мы надеемся, что в ближайшем будущем нам удастся получить достаточное финансирование для их клинических испытаний, — рассказывает Ольга Ивановна. — Такие препараты могут использоваться в качестве сопутствующей терапии (наряду с химио- и радио-) и улучшать лечение какого-то определенного типа рака. В основном наши ингибиторы были получены синтетическим путем с использованием в качестве предшественников биологически активных природных соединений. Этот цикл работ мы выполнили совместно с отделом медицинской химии Новосибирского института органической химии им. Н.Н Ворожцова СО РАН, которым руководит профессор, доктор химических наук Нариман Фаридович Салахутдинов.
Сегодня изучение процессов репарации идет двумя путями. С одной стороны, их исследуют на уровне клеток, с другой — реконструируют работу сложных репарационных машин биохимическими методами. Во втором случае эксперименты проводятся с поврежденной ДНК и белками в пробирке, что позволяет исследовать детали происходящих превращений. Сейчас эти два подхода как бы движутся навстречу друг другу, но до полного сближения еще далеко. Однако если удастся к нему прийти, то ученые получат возможность описать, как работают сложные клеточные процессы.
Кроме того, в ИХБФМ СО РАН синтезируются и исследуются синтетические аналоги нуклеиновых кислот, их предполагается использовать в качестве возможных терапевтических препаратов для доставки в клетки и организмы. Эти аналоги представляют собой фрагменты ДНК и РНК, поэтому также имитируют поврежденные нуклеиновые кислоты. В клетке они с неизбежностью взаимодействуют с белками, участвующими в восстановлении ДНК, и с РНК-связывающими белками, которые также играют важную роль в процессах репарации.
«Модифицированные нуклеиновые кислоты являются прекрасными кандидатами для модуляции активности систем репарации при лечении рака. Это направление активно развивается в мировой науке. Новые аналоги нуклеиновых кислот синтезируются и в различных лабораториях нашего института, в том числе в лаборатории директора члена-корреспондента РАН Дмитрия Владимировича Пышного, — говорит Ольга Лаврик. — Это направление мне представляется перспективным. ИХБФМ СО РАН может стать абсолютным лидером в области исследования взаимодействия “терапевтических” нуклеиновых кислот с системами репарации и в разработке препаратов на их основе. Мы надеемся, что это направление будет поддержано как на уровне института, так и финансированием ведущих российских фондов, таких как РНФ и РФФИ».
