В новом исследовании ученые из Университета Бэйлора (Baylor University) представили лучшее понимание динамического процесса, посредством которого вызванное солнечным светом повреждение ДНК распознается механизмом молекулярного восстановления в клетках как нуждающееся в восстановлении. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Nucleic Acids Research.
Актуальность проблемы
Ультрафиолетовый свет от солнца — это повсеместный канцероген, который может нанести структурный ущерб клеточной ДНК. Поскольку ДНК несет важные чертежи для клеточных функций, неудача в своевременном удалении и восстановлении поврежденных частей ДНК может иметь пагубные последствия и привести к раку кожи у людей.
Автор исследования Чжон Хен Мин (Jung-Hyun Min) с соавторами показали, как репарационный белок Rad4 / XPC связывается с УФ-индуцированным повреждением ДНК — 6-4, фотопродуктом для маркировки поврежденного участка вдоль ДНК при подготовке к остальной части эксцизионной репарации нуклеотидов (NER).
Мин утверждает, что ультрафиолетовый свет угрожает целостности генома, вызывая повреждение клеточной ДНК, известное как повреждение внутрицепочечной сшивки. Двумя основными типами этих повреждений являются димер циклобутан-пиримидина (CPD), который составляет около 70% такого повреждения; и 6-4 фотопродукт (6-4PP) — около 30%. По словам Мин, система восстановления клеточной ДНК (NER), которая отвечает за очистку этих поражений, работает намного быстрее 6-4PP, чем CPD. Это связано с тем, что белок, чувствительный к повреждению ДНК (Rad4 / XPC), который инициирует NER, более эффективен при распознавании 6-4PP, чем при распознавании CPD. Как только поражающий фактор связывается с Rad4 / XPC, он удаляется с помощью NER. NER работает во всех организмах, от дрожжей до человека. Мин сказал, что белок Rad4 / XPC распознает поражения. Что приводит к различиям в эффективности распознавания, остается неясным.
Материалы и методы обследования
Ученые определили трехмерную структуру белка Rad4, связанного с ДНК-субстратом, содержащим поражение 6-4PP, используя метод, называемый рентгеновской кристаллографией. Ученые использовали молекулярную динамику для компьютерного моделирования процесса, с помощью которого Rad4 первоначально может зацепиться за ДНК, содержащую либо 6-4PP, либо CPD.
Результаты научной работы
Ученые обнаружили, что белки переворачивают части ДНК, содержащие 6-4PP, и, таким образом, «открывают» двойную спираль ДНК. Это сопровождалось сильным раскручиванием и изгибом нитей ДНК.
Однако, по словам Мина, белок напрямую не связывался с поврежденной частью ДНК. Вместо этого белок специфически связывается со здоровыми участками ДНК напротив поражения. Это показывает, что белок в принципе может связываться с CPD, а также с другими повреждениями ДНК, вызванными окружающей средой, которые, как известно, распознаются Rad4 / XPC. Но это не может напрямую объяснить, почему эффективность распознавания поражений может быть разной. Имитационные исследования показали, что белок легко взаимодействует с 6-4PP, чтобы раскрутить, изогнуть и частично «открыть» ДНК в месте повреждения. Но, что примечательно, ДНК, содержащая CPD, сопротивлялась раскручиванию и изгибу, которые легко происходили с 6-4PP. В целом, ученые смогли собрать трехмерную молекулярную траекторию, которая изображала ключевые шаги во время «открытия» ДНК, проведенного Rad4 / XPC, и раскрыла причины различного распознавания 6-4PP и CPD. Мин считает, что открытие этих механизмов эксцизионной репарации нуклеотидов может принести пользу, помимо понимание повреждений, вызванных ультрафиолетом, вызванного окружающей средой, в том числе промышленными загрязнителями, сигаретным дымом и даже некоторыми химиотерапевтическими препаратами.
«Отличительной чертой NER является то, что он восстанавливает очень широкий спектр повреждений ДНК. Это очень важно с точки зрения того, насколько наши геномы защищены от повреждения ДНК, вызванного окружающей средой», — комментирует Мин.
«В течение многих десятилетий было известно, что этот белок Rad4 / XPC может очень эффективно распознавать 6-4PP, но не было структуры, чтобы показать, как он действительно связывается с повреждением и почему распознавание настолько эффективно по сравнению с поражениями, такими как CPD», — добавляет Мин. «По сути, наше исследование хорошо заполняет этот пробел и детализирует, каким должен быть этот механизм».
«Мы надеемся, что полученные нами знания могут быть полезны для решения основных проблем в области здоровья человека», — резюмирует Мин.
Авторы другого исследования утверждают, что варианты ДНК значительно влияют на распределение жира в организме.
