Мастерские по ремонту ДНК

В клетках могут существовать специальные «мастерские» для восстановления ДНК

Учёные выяснили неожиданные подробности организации ремонта ДНК в клетках. Покалеченные радиацией гены обычно ремонтируются «на месте». Если же повреждения посерьёзней, дефектные участки ДНК отправляются в специальные клеточные «мастерские», где скапливаются необходимые для ремонта ферменты.

Живые организмы обладают очень надежной системой самовосстановления, сложность и вместе с тем строгая упорядоченность которой поражает ученых уже не один десяток лет. Одним из самых удивительных в этой иерархии процессов является механизм восстановления поврежденных молекул ДНК. Специалисты из американской Национальной аэрокосмической администрации (NASA) выяснили, что ремонт ДНК не всегда происходит на месте — иногда целые участки ДНК отправляются в специальные «ремонтные мастерские».

Представьте себе, как шальная пуля попадает в узкую бойницу командного центра, пробивая дыры в жизненно важном оборудовании, и уничтожает все оперативные данные. Команды инженеров подняты по тревоге, так как поврежденное оборудование должно быть восстановлено в считанные минуты, ибо промедление в данном случае смерти подобно. Первым же делом инженерам необходимо сделать выбор — производить ремонт на месте или отправить поврежденную аппаратуру в ремонтную мастерскую.

Космическими лучами

называют частицы, врезающиеся в атмосферу Земли со скоростью, близкой к скорости света. Под такое определение, конечно, подходят и солнечные лучи, освещающие нашу планету, но разговор, разумеется, не о них. Физиков интересуют в первую очередь заряженные частицы – электроны, протоны, нейтроны, ядра различных атомов. Регистрируемые на Земле космические лучи, состав которых удаётся измерить, примерно на 90% состоят из протонов, на 7% – из альфа-частиц (ядер атомов гелия), и на 3% - из всего остального. Состав космических лучей сверхвысоких энергий пока доподлинно неизвестен.

Впрочем, среди самых энергичных частиц могут быть и кванты света – фотоны, однако при таких энергиях они скорее похожи на бронебойные снаряды, чем на ласковые световые волны.

Попадая в атмосферу, каждая космическая частица рано или поздно сталкивается с атомом одного из газов. Как правило, это будет азот – таких атомов в воздухе больше всего. Энергии космического луча достаточно, чтобы разрушить атом, или его ядро, ускорив «осколки» почти до скорости света, а также родить множество новых частиц. Выбитые столкновением «осколки», также начнут сталкиваться с другими атомами, выбивая из них новые осколки и постепенно теряя энергию.

Такая каскадная реакция называется широким атмосферным ливнем и приводит к тому, что до поверхности земли долетает целый рой (точнее, «блин» толщиной всего несколько метров) частиц, поперечник которого может превышать несколько километров. Именно такие ливни и открыл французский физик Пьер Оже ещё в первой половине прошлого века.
поток заряженных частиц высоких энергий, падающих на Землю из космического пространства (первичные лучи), а также поток вторичных частиц, родившихся в реакциях в верхних слоях земной атмосферы.

Подобные сцены каждый день разворачиваются в мире клеток. Особенно сильно это касается членов экипажа Международной космической станции (МКС). Высокоэнергетические частицы космического излучения прошивают насквозь обшивку корабля, а заодно и их тела. Траектории некоторых из них проходят сквозь цепи ДНК и разрывают молекулы на части. ДНК — носитель наследственной информации и единственный источник инструкций для всех организмов, обеспечивающих жизнедеятельность клетки. Нарушенная последовательность генов в ДНК неизбежно приведет к сбоям в работе отлаженных внутриклеточных процессов, отклонениям в развитии клетки и потенциально может являться причиной раковых заболеваний.

На этот случай природа предусмотрела команды ремонтных рабочих — ферментов, которые при возникновении подобных чрезвычайных ситуаций всеми силами стараются восстановить нарушенную последовательность нуклеотидов.

Ученые в течение долгого времени были уверены, что эти ферменты-восстановители заново возводят утраченные участки ДНК прямо на месте поражения. Однако исследования Фрэнсиса Кучинотты, главного специалиста NASA по космическому излучению, позволяют предположить, что клетки в ряде случаев могут перемещать нарушенные цепочки ДНК в специальные «ремонтные мастерские» вместо попытки восстановления их по горячим следам. Часть поврежденных ДНК в самом деле восстанавливаются ферментами на месте, сразу после повреждения, однако исследование Кучинотты показывает, что некоторые молекулы перемещаются для ремонта в специальные участки. Кучинотта считает, что перемещению подвергаются наиболее пострадавшие клетки, ремонт которых требует от клетки дополнительных ресурсов.

Если это действительно так, то этот механизм должен позволить ученым провести грань между легким и капитальным ремонтом ДНК. В то время как клетки успешно справляются с незначительным восстановлением молекул, серьезный ремонт дается им с большим трудом и не всегда приводит к успеху. Результатом такого неудачного восстановления может стать формирование раковой опухоли. Таким образом, избирательное блокирование поврежденных ДНК в ремонтных мастерских побуждает частично поврежденную клетку скорее к саморазрушению, нежели к попытке восстановления, сохраняя целостность всего организма.

Идея Кучинотты встретила много критики в свой адрес, как и любая другая теория, изменяющая устоявшиеся представления. Однако теперь учёным удалось найти явные свидетельства существования этих «марстерских».

В своей работе ученые под руководством Сильвиана Костеса из американской Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли подвергали искусственно выращенные человеческие клетки излучению трех видов: жесткому гамма-излучению, облучению рентгеновскими лучами, а так же бомбардировали их ускоренными ионами железа, полученными на ускорителе NASA в лаборатории космического излучения.

Ближе всего по свойствам к космическим лучам, наиболее опасным и обладающим наибольшей проникающей способностью, существенно осложняющей защиту организма астронавтов, являются ядра атомов железа. Эксперименты на них и позволили выдвинуть идею о перемещении клетками части поврежденных ДНК в специальные биологические ремонтные мастерские. Дело в том, что разогнанные атомы железа, продираясь сквозь клетки, оставляют за собой прямолинейные треки, а следовательно, и участки поражения ДНК и других молекул должны находиться на этой прямой. Если «ремонт» ДНК происходит на месте, то «ремонтные рабочие» — ферменты также должны были группироваться вдоль этих линий.

Однако Костес с коллегами наблюдали иную картину.

Ученые снабдили ферменты, участвующие в восстановлении ДНК, флуоресцентными метками, так что участки ремонта ДНК были хорошо видны в течение примерно десятка минут после облучения. Кроме зеленых меток, сгруппированных вдоль трека атома железа, ученые наблюдали скопления ферментов и в других участках клетки.

По предположению Костеса, участки ДНК, нуждающиеся в восстановлении, переносятся в удаленные участки в целях экономии энергии. Он поясняет, что процесс восстановления ДНК требует участия огромного количества молекул биологических катализаторов и просто невыгодно перебрасывать их все внутри клетки, как только тому или иному участку ДНК потребуется капитальный ремонт. Именно поэтому клетка стремится отремонтировать ДНК по частям в участках клетки, прилегающих к поврежденным хромосомам.

Между тем механизмы такой транспортировки «осколков» ДНК остаются не уясненными.

Репликация ДНК

процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, который происходит в процессе деления клетки на матрице родительской молекулы ДНК. При этом генетический материал, зашифрованный в ДНК, удваивается и делится между дочерними клетками.

Новая теория, предполагающая существование мастерских по ремонту ДНК, опирается на давно признанный биологический механизм, наблюдаемый в бактериях в ходе дупликации хромосом. Бактерии пропускают недостроенные участки ДНК через область репликации, прилежащую к хромосомам и насыщенную ферментами и строительными блоками ДНК, вместо того чтобы собирать энзимы вокруг строящихся наследственных спиралей.

Подтверждение гипотезы существования специальных центров по ремонту ДНК в ходе дальнейших исследований может помочь космическим специалистам справиться с опасностью для здоровья астронавтов, создаваемой жестким космическим излучением в течение длительных межпланетных перелётов. С одной стороны, понимание механизма переноса поврежденных ДНК и их восстановления позволит лучше оценить эту угрозу. С другой точки зрения эти знания могут привести к созданию нового типа лекарств, помогающих поврежденным клеткам в процессе самовосстановления и поддерживающих космонавтов, постоянно подвергающихся облучению.