Раскрытие секретов репарации ДНК

Наши тела — эксперты в уходе за нашей ДНК и постоянно отслеживают любые повреждения, которые необходимо исправить, чтобы сохранить наше здоровье. За частями ДНК, которые очень повторяются, как, например, последовательность, вызывающая болезнь Хантингтона (БГ), очень сложно ухаживать, и наш организм может попытаться исправить их, но сделать только хуже! Это может привести к удлинению повторов и сделать их еще более токсичными для наших клеток. В этом исследовании, проведенном фондом CHDI, исследователи подробно изучают белки, ответственные за удлинение этих последовательностей при БГ, чтобы мы могли лучше понять, как они работают и как мы можем их остановить. Давайте посмотрим поближе.

Неисправная молния: как репарация ДНК способствует развитию БГ

ДНК состоит из четырех букв: A, T, G и C. Последовательности этих букв составляют инструкции, которые сообщают нашему организму, как производить все различные белки, необходимые нам для функционирования и здоровья. При БГ имеется более длинный участок повторов букв C-A-G в последовательности гена хантингтина. В течение жизни размер этих повторов может увеличиваться в некоторых клетках мозга, наиболее пораженных БГ. Этот процесс называется соматической экспансией.

Представьте, что ДНК в ваших клетках — это молния на куртке, а зубчики молнии — это буквы ДНК. Обычно молния плавно движется вверх и вниз, но могут быть слабые участки, где легко образуется выпуклость или петля.

У вас есть портной, который исправляет ошибки молнии, и в большинстве случаев он очень полезен. Но в слабом месте молнии портной иногда усугубляет проблему и вместо того, чтобы разгладить выпуклость, добавляет дополнительные зубчики в молнию.

Теперь каждый раз, когда молния открывается и закрывается, у слабого места есть шанс увеличиться. При БГ слабым местом являются повторы C-A-G в ДНК хантингтина, а портным — механизм репарации ДНК в клетке. Это важный страж ДНК в наших клетках, особенно для предотвращения изменений в нашей последовательности ДНК, которые могут вызвать рак. Несмотря на это, длинные повторы C-A-G, такие как те, которые участвуют в БГ, иногда могут запутать реакцию репарации, что приведет к еще большему удлинению повторов. Этот процесс называется соматической экспансией, и некоторые ученые считают, что это может привести к заболеванию некоторых клеток мозга.

Важной частью портного по репарации ДНК, участвующего в экспансии, являются два белка, называемые MSH2 и MSH3. Они работают вместе как команда и в совокупности известны как MutSβ (произносится мьют-эсс-бета). Предыдущий анализ ДНК тысяч людей с БГ показал нам, что MutSβ может влиять на возраст начала симптомов. Из-за этого MutSβ стала захватывающей областью исследований БГ, которая показала, что прекращение воздействия MutSβ на поврежденную молнию ДНК может помочь замедлить соматическую экспансию и прогрессирование заболевания.

Исследования все чаще показывают, что ингибирование MSH3 или уменьшение количества MSH3 в мозге может предотвратить удлинение повторов C-A-G и даже уменьшить длину C-A-G, что делает его интересной мишенью для новых потенциальных методов лечения БГ.

Взгляд украдкой на то, как работают белки репарации несоответствий

Чтобы лучше понять, как комплекс MutSβ может ухудшить состояние молнии ДНК, авторы использовали метод, называемый криоэлектронной микроскопией (крио-ЭМ). Это способ взглянуть на форму и структуру белковых молекул — как сделать снимок того, как они выглядят в определенный момент времени.

Представьте, что вы хотите увидеть, как на самом деле выглядит снежинка. Если вы позволите ей слишком долго лежать на вашей перчатке после того, как она приземлилась, она растает или изменит форму, прежде чем вы успеете увидеть все ее замысловатые детали.

Крио-ЭМ работает как камера для крошечных биологических «снежинок». Образцы быстро замораживаются, так что белок оказывается в ловушке в своей естественной форме. Делается много снимков, которые могут запечатлеть различные формы и положения, которые может принимать белок. Это помогает нам собрать воедино, как белки изменяют конформации для выполнения своей работы.

В этом исследовании ученые использовали крио-ЭМ, чтобы сфотографировать MutSβ как до, так и после связывания с ДНК. Им удалось получить 9 различных изображений MutSβ, в том числе в следующих условиях:

• Когда он не прикреплен к ДНК
• При связывании с нормальной ДНК без ошибок
• При связывании с ДНК с неспаренной ДНК

Эти изображения показывают, как комплекс MutSβ движется и изменяет форму, когда обнаруживает ошибки в ДНК. Обычно это помогает клетке восстановить ДНК, но в случае БГ это может усугубить ситуацию.

Исследователи обнаружили, что форма и положение MutSβ зависят от того, прикреплен ли он к ДНК, а также от небольших энергетических молекул, таких как АТФ. Молекулы АТФ подобны энергетическим пакетам клетки, немного похожим на топливо для двигателя, которое может поддерживать работу всего. Обе части MutSβ, MSH2 и MSH3, могут захватывать АТФ и использовать его для ремонта ДНК.

Снимки MutSβ из этого исследования показывают, что он начинается в форме открытого зажима. Этот открытый зажим может захватывать ДНК и сканировать ее, ища ошибки в молнии ДНК. Когда обнаруживается ошибка, зажим захлопывается и может скользить по ДНК, питаясь от АТФ. Это запускает следующие этапы процесса восстановления. Как только его работа будет выполнена, MutSβ использует больше АТФ, чтобы оторваться от ДНК.

Почему нас волнует структура MutSβ?

Выяснив форму MutSβ как можно более подробно, особенно когда он выполняет свою работу по восстановлению ДНК, мы можем найти карманы на поверхности белка, к которым может прикрепиться будущий препарат, чтобы остановить этот процесс. Как поиск правильного ключа, который идеально подходит к определенной замочной скважине. Если мы знаем, как выглядит белок, мы можем идеально разработать препарат, который должен плотно связываться где-то на белке и останавливать его работу. В конечном счете, возможность остановить или даже обратить вспять экспансию повторов C-A-G может быть отличным терапевтическим путем для БГ, а также для других заболеваний, которые также вызваны экспансией повторов, включая несколько спиноцеребеллярных атаксий и спинальную и бульбарную мышечную атрофию.

Краткое содержание:

• MutSβ (MSH2 + MSH3) — это машина для репарации ДНК, которая обычно помогает предотвратить мутации, вызывающие рак.
• При БГ MutSβ может иногда случайно удлинять повторы CAG в гене HTT, что, как считается, приводит к гибели нейронов и более быстрому прогрессированию заболевания.
• Новые данные о трехмерной структуре белков MutSβ и о том, как работает эта молекулярная машина, помогут в разработке лекарств, которые могут ингибировать ее активность, предотвращая удлинение повторов CAG.

Подробнее

Оригинальная исследовательская статья: «Elucidation of multiple high-resolution states of human MutSβ by cryo-EM reveals interplay between ATP/ADP binding and heteroduplex DNA recognition» (открытый доступ).