Восстановление ДНК при болезни Хантингтона: Не на высоте?

Ученые работают над тем, чтобы понять некоторые из самых ранних изменений в восстановлении ДНК, вызванных болезнью Хантингтона (БГ) — понимание, которое может помочь найти новые терапевтические средства и новые способы воздействия на соматическую экспансию, являющуюся ключевым фактором прогрессирования заболевания. Молекула, которая помогает исправлять повреждения ДНК — так называемый PAR — у людей с геном БГ содержится меньше, чем ожидалось. Это говорит о том, что клетки могут испытывать трудности с правильным восстановлением ДНК в результате естественного износа, который происходит с ДНК каждый день. Эти результаты могут иметь отношение к изменениям в процессе восстановления ДНК, которые приводят к соматической нестабильности. Это открытие может помочь исследователям найти новые способы защиты клеток мозга путем активизации естественных систем восстановления клеток.

Генетические мутации и исправления

Термин “генетическая мутация” звучит довольно часто, но что он на самом деле означает? Вкратце, генетическая мутация — это любое изменение букв ДНК — инструкции по построению белков в клетке. Эти изменения могут изменить то, как генетический код считывается и используется клетками, иногда нарушая функции белков — молекулярных машин клетки. Одним из ярких примеров являются мутации в гене HTT, которые значительно нарушают активность кодируемого им белка, что приводит к HD.

Хотя мутация, вызывающая HD, наследуется при рождении, наши клетки также накапливают новые мутации по мере старения. Последствия этих случайных возрастных мутаций трудно предсказать, но в целом они способствуют развитию таких возрастных заболеваний, как рак и нейродегенерация. К счастью, эти возрастные мутации нормальны и в большинстве случаев исправляются до того, как они вызывают проблемы.

Но, к сожалению, при HD этот процесс работает неправильно. Предыдущие исследования показали, что клетки людей с геном HD имеют тенденцию накапливать больше мутаций в течение своей жизни, что, вероятно, является результатом неисправности механизма восстановления ДНК. Неполадки в механизме восстановления ДНК приводят к соматической экспансии — биологическому процессу, который со временем увеличивает длину CAG-повтора в гене HTT в некоторых клетках. Новое исследование под руководством доктора Рэя Труанта и его команды из Университета МакМастера изучило, как мутация HD нарушает восстановление ДНК, и выявило главного подозреваемого: дефектное PARylation.

Сломанная программа проверки орфографии

Клетки оснащены сложными системами для исправления повреждений ДНК, и одним из ключевых путей является PARилирование. PARилирование включает в себя создание длинных цепочек молекулы под названием PAR (Poly-ADP-Ribose) на участках поврежденной ДНК. Эти длинные цепи действуют как молекулярные ручки для ферментов восстановления ДНК, которые цепляются за них и начинают исправлять ДНК. Таким образом, цепочки PAR напоминают красные волнистые линии в документе Word, выделяющие орфографические ошибки. Однако, как и в случае со сломанной системой проверки орфографии, в клетках HD отсутствует множество таких красных загогулин, несмотря на большее количество мутаций.

Чтобы провести исследование, команда Труанта сначала проанализировала количество PAR-цепей в спинномозговой жидкости — веществе, омывающем мозг, — людей с HD. Поскольку PAR-цепи вырабатываются в ответ на повреждение ДНК, а у людей с БГ уровень повреждения ДНК выше, они ожидали обнаружить больше PAR-цепей.

Однако то, что они обнаружили, удивило их — у людей с БГ было меньше PAR-цепей. Затем этот парадокс был исследован на клетках людей с БГ, которые не показали повышенного уровня PAR-цепей, несмотря на повышенный уровень повреждений ДНК. Эти результаты свидетельствуют о том, что механизм создания PAR-цепей и, следовательно, восстановления ДНК, может не успевать за спросом!

Не на PAR

Почему в клетках HD может быть меньше PAR-цепей, несмотря на большее количество повреждений ДНК? Чтобы выяснить причину, исследователям нужно было изучить основной белковый механизм. PARилирование опирается на два ключевых фермента: PARP, который строит PAR-цепи для начала восстановления ДНК, и PARG, который разрезает их после завершения восстановления.

Поэтому исследователи задались вопросом: является ли PARG чрезмерно активным? Или PARP работает недостаточно активно? После тщательной биохимии они обнаружили, что последнее, похоже, верно — активность PARP, по-видимому, снижена в клетках HD, что объясняет нехватку цепей PAR и, возможно, повышенную частоту мутаций.

Затем команда обратила свое внимание на HTT. Поскольку белок HTT действует как строительный каркас, связываясь с множеством других белков, они задались вопросом, может ли мутировавшая версия, вызывающая HD, мешать HTT взаимодействовать с PARylated белками. Поскольку цепи PAR образуются не только на ДНК, но и на белках, они сравнили белки, с которыми, как известно, взаимодействует HTT, с белками, которые, как известно, PARилируются. Они обнаружили, что почти половина белков, с которыми взаимодействует HTT, также являются PARylated.

Это вызывает подозрение, что сам HTT может быть модифицирован PAR. Если это так, и этот процесс изменяется под действием мутантного HTT, это может объяснить различия в цепях PAR, которые они наблюдали в клетках HD.

Цепочки HTT и PAR

Чтобы проверить, взаимодействует ли HTT с PAR-цепями, команда использовала высокотехнологичный микроскоп, чтобы отследить, где HTT и PAR-цепи находятся в живых клетках. Хотя PAR-цепи и HTT не пересекались большую часть времени, они пересекались на хромосомах, когда клетки делились.

Кроме того, когда они отключили производство PAR-цепей, заблокировав активность PARP, HTT больше не перекрывались, что говорит о том, что PAR-цепи могут направлять HTT к хромосомам во время клеточного деления. Хотя важность перекрытия цепей HTT и PAR во время клеточного деления не была исследована далее, это говорит о том, что между ними может быть функциональное взаимодействие!

Чтобы укрепить свои позиции, исследователи использовали еще несколько методов для подтверждения взаимодействия между цепями HTT и PAR. Во-первых, они внимательно изучили молекулярную структуру белка HTT и обнаружили множество мест, которые выглядели так, как будто в них могла бы поместиться цепь PAR. Затем, используя микроскоп высокого разрешения, они непосредственно визуализировали PAR-цепи, созданные PARP в присутствии и без HTT. Они заметили, что PARP производит гораздо более сложные PAR-цепи, когда рядом находится HTT, что говорит о том, что HTT стимулирует активность PARP. Важно отметить, что мутантные формы HTT не оказывали никакого стимулирующего влияния на активность PARP, что, возможно, объясняет сниженное производство PAR-цепей у людей с HD.

Последствия для HD и не только

Эти результаты рисуют ясную картину: в клетках, не имеющих гена HD, HTT стимулирует PARylation и способствует эффективному восстановлению ДНК. Однако при HD мутантный белок HTT не может стимулировать PARP, что приводит к уменьшению количества цепей PAR, нарушению репарации ДНК и накоплению мутаций, которые могут участвовать в нейродегенерации.

Эти результаты очень интересны, поскольку они помогают исследователям лучше понять основные дефекты клеток HD, но, что, возможно, более важно, они открывают терапевтические возможности.

Интерес к PARP во многом объясняется тем, что он получил широкую огласку в совершенно другой области исследований — онкологии, где уже были разработаны десятки молекул, нацеленных на PARP. Поскольку препараты, предназначенные для модуляции активности PARP, уже прошли проверку на безопасность, их потенциально можно переназначить для лечения БГ, что ускорит их путь к клиническим испытаниям. Несмотря на то, что любые перепрофилированные препараты должны быть тщательно протестированы, это исследование открывает новые захватывающие терапевтические пути, которые могут решить проблему накопления мутаций, что является критической проблемой для клеток при БГ.

Подробнее

Оригинальная научная статья“Poly ADP-ribose signaling is dysregulated in Huntington disease” (Открытый доступ).