Ученые поняли, как ремонтный механизм в клетках понимает, что необходимо исправлять повреждение ДНК, вызванное солнечным светом, — пишет eurekalert.org со ссылкой на Nucleic Acids Research.

Команда, возглавляемая исследователем из Университета Бэйлора, опубликовала революционную статью, которая обеспечивает лучшее понимание динамического процесса восстановления клеток после воздействия солнечного света.

Ультрафиолетовый свет солнца — это признанный канцероген, который может нанести структурный ущерб клеточной ДНК. Поскольку ДНК несет важные инструкции для клеточных функций, невыполненное своевременного удаление или восстановление поврежденных частей ДНК может иметь пагубные последствия и привести к раку кожи у людей, сказал ведущий автор Ян-Хун Мин — доцент химии и биохимии в колледже искусств и наук Бейлора.

Мин и ее команда показали, как репарационный белок Rad4/XPC будет связываться с одним таким УФ-индуцированным повреждением ДНК — 6-4 фотопродуктом — для маркировки поврежденного участка вдоль ДНК при подготовке к остальной части эксцизионной репарации нуклеотидов (Nucleotide Excision Repair, NER).

Исследование — «Структура и механизм распознавания фотопродукта пиримидин-пиримидона (6-4) комплексом эксцизионной репарации нуклеотидов Rad4/XPC» — опубликовано в журнале Nucleic Acids Research как «прорывная статья».

Мин объяснила, 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 процентов такого рода повреждений; и 6-4 фотопродукт (6-4PP), который составляет около 30 процентов.

По словам Мин, эксцизионная репарация нуклеотидов (NER), которая отвечает за устранение этих поражений, работает намного быстрее для 6-4PP, чем для CPD. Это связано с тем, что чувствительный к повреждению ДНК белок Rad4/XPC, который инициирует NER, более эффективен при распознавании 6-4PP, чем при распознавании CPD.

Если поражение связано с Rad4/XPC, оно может быть удалено путем NER, который работает во всех организмах, от дрожжей до человека. Мин сказала, что до сих пор остается неясным, как белок Rad4/XPC распознает поражения и что приводит к различиям в эффективности распознавания.

Сначала команда определила трехмерную структуру белка Rad4, связанного с ДНК-субстратом, содержащим поражение 6-4PP, используя метод, называемый рентгеновской кристаллографией. Структура показала, 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 Мин, белок напрямую не связывался с поврежденной частью ДНК. Вместо этого белок специфически связывается со здоровыми кусочками ДНК. 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.

Для решения этой проблемы Мин затем сотрудничала со Сьюз Бройд, доктором философии в Нью-Йоркском университете и использовала молекулярную динамику для компьютерного моделирования процесса, с помощью которого Rad4 первоначально может зацепиться за ДНК, содержащую либо 6-4PP, либо CPD.

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, команда смогла собрать трехмерную молекулярную траекторию, которая изображала ключевые шаги во время «открытия» ДНК, проведенного Rad4/XPC, и раскрывала причины различного распознавания 6-4PP и CPD.

Мин считает, что открытие этих механизмов восстановления эксцизии нуклеотидов может принести пользу, помимо понимания повреждения, вызванного ультрафиолетом, поскольку NER также является важным путем, который восстанавливает большую часть повреждений ДНК, вызванных 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, как наши геномы защищены от повреждения ДНК, вызванного окружающей средой», — сказал Мин.

«В течение многих десятилетий было известно, что 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, — сказала она. — По сути, наше исследование хорошо заполняет этот пробел и детализирует, каким должен быть этот механизм».

Хотя это исследование показало, как Rad4/XPC может связываться с повреждением в дуплексе ДНК, до сих пор неизвестно, как белок может обнаружить такое повреждение, если он находится на ДНК, которая компактно организована, как это происходит в клетках (так называемый хроматин).

Мин говорит, что большинство ДНК в хроматине наматывается на белки, называемые гистонами, и как Rad4/XPC может их обойти, чтобы найти поражение, является еще одной загадкой.

Кроме того, она сказала, что неизвестно, как Rad4/XPC будет привлекать следующего игрока на пути восстановления — комплекс транскрипционного фактора II H (TFIIH), который важен при проверке повреждения до того, как другие белки появятся и фактически вырежут поврежденную часть.

«Мы надеемся, что полученные нами знания могут быть полезны для решения основных проблем в области здоровья человека, — сказал Мин. – Мы можем эффективно помочь, разобравшись, как все работает с помощью полной трехмерной структурной детализации».