Сохранение ДНК должно быть главным приоритетом клетки. Но бактерии замедляют процесс восстановления ДНК до минимума, отдавая предпочтение проверке генных транскриптов. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
У бактерий процессы, помогающие устранять ошибки в РНК-транскриптах генов, могут мешать процессам восстановления ДНК.
Введение
Эволюция — это игра компромиссов. Каждый наследуемый организмом признак может иметь как преимущества, так и недостатки; для естественного отбора важно, является ли признак положительным или отрицательным в итоге. Но в недавнем исследовании учёные описали баланс, который кажется ещё более парадоксальным, чем большинство других: бактериальные клетки отдают приоритет транскрипции — процессу создания РНК-транскриптов генов как первому этапу производства белка — а не восстановлению двуцепочечных разрывов в ДНК.
«Мы склонны считать ДНК мозгом клетки», — сказала Сьюзен Розенберг, биолог из Медицинского колледжа Бейлора в Хьюстоне. «Если продолжить эту аналогию и представить, что части клетки конкурируют за ресурсы так же, как это делают части тела, то мозг должен получать всё необходимое за счёт всего остального».
Поэтому, когда её коллега из Бэйлора Кристоф Герман обратился к ней с гипотезой о том, что транскрипция может быть важнее восстановления ДНК, Розенберг была готова сделать ставку на противоположное. «И я была уверена, что выиграю», — сказала она.
Но она ошибалась. В прошлом месяце она, Герман и их команда опубликовали результаты своего исследования в журнале Nature: с помощью серии экспериментов и сложных методов контроля они обнаружили, что транскрипция может превзойти репарацию ДНК у E. coli.
Первоначальный скептицизм Розенберга вполне объясним. В конце концов, ДНК – основа наследственности, и разрыв хромосомы может быть фатальным. Ошибки в транскрипте РНК, с другой стороны, кажутся менее серьёзными. Такие транскрипты временны и недолговечны, и клетка обычно создаёт более одной копии. «Когда горит дом, вы не бросаете всё, чтобы убедиться, что сделали точную копию с какой-нибудь книги в домашней библиотеке», – сказал Андрей Кузьминов, микробиолог из Иллинойсского университета, не принимавший участия в исследовании. «Вы бежите, спасая свою жизнь!»
Но на самом деле все гораздо сложнее: традиционная ДНК-центричная точка зрения не всегда наилучшим образом объясняет, как взаимодействуют такие сложные процессы, как репарация и транскрипция.
Возвышение транскрипции к власти
Герман начал подозревать, что преувеличение важности ДНК может быть ошибкой почти десять лет назад, когда он обнаружил, что ошибки, возникающие при копировании ДНК в РНК, могут приводить к наследственным изменениям в клетках E. coli. (Эти эффекты были эпигенетическими, то есть ДНК клеток была химически модифицирована, в то время как ее последовательность оснований оставалась прежней.) Другие исследования также показали корреляцию между ошибками транскрипции и заболеваниями, включая рак, рассеянный склероз и болезнь Альцгеймера, хотя связь не обязательно является причинно-следственной. И последний кусочек головоломки, по словам Германа, встал на место в прошлом году, когда Институт Дж. Крейга Вентера и Synthetic Genomics создали клетку с нуля с минимальным геномом, необходимым организму для выживания. Герман отметил, что среди 473 генов синтетической клетки «очень немногие кодируют белки, участвующие в репарации ДНК». Но главный белок, участвующий в поддержании точности транскрипции, был там. «Он был необходим для жизни», — сказал Герман.
Учёные начали углубляться в изучение того, каким образом процессы транскрипции могут способствовать восстановлению ДНК. Однако новые результаты исследований команды Бэйлора свидетельствуют о том, что эти процессы иногда могут также препятствовать восстановлению.
Герман, Розенберг и их коллеги удалили ген E. coli, кодирующий фактор точности транскрипции GreA – тип корректирующего белка, обеспечивающего клеткам корректное формирование РНК-транскриптов. Затем группа индуцировала двухцепочечные разрывы ДНК с помощью препарата, имитирующего действие радиации. Они обнаружили, что в отсутствие GreA клетки становились гораздо более устойчивыми к повреждающему действию препарата. Более того, способность бактерий к восстановлению ДНК увеличилась в 100 раз. «Из тихой E. coli они превратились в чемпионов по радиационной репарации», – сказал Розенберг.
«Думаю, большинство людей не догадались бы, что клетки будут отказываться от какой-либо возможной активности по восстановлению ДНК, которая у них могла бы быть», — добавила она, — «особенно не в пользу качественного транскрипта». Но, похоже, именно это и происходит: один-единственный белок, связанный с транскрипцией, тормозит процесс восстановления, который в противном случае работал бы в 100 раз лучше, чем мы видим в природе.
Препятствия и столкновения
Обычно, когда в хромосоме происходит двухцепочечный разрыв, фермент начинает расщеплять соседнюю ДНК, что является прелюдией к репарации. У E. coli и других бактерий, достигая последовательности нуклеотидов, называемой хи-сайтом, этот фермент прекращает расщеплять ДНК и запускает процесс репарации.
Между тем, когда происходит ошибка транскрипции, комплекс незавершенной РНК и полимеризующихся ферментов останавливается до тех пор, пока GreA и другие факторы транскрипции не позволят удалить неправильный нуклеотид.
Херман и Розенберг предположили, что без GreA транскрипционный комплекс остаётся прикреплённым к ДНК. Если фермент, разрушающий ДНК, затем продвигается по цепи, он сталкивается с остановившимся комплексом и интерпретирует это столкновение как участок хи-нуклеотида, переключаясь на репарацию ДНК. «Если не остановить [фермент] таким сигналом, ДНК может быть деградирована примерно до миллиона оснований», — сказал Херман. «Если не дать ему команду прекратить деградацию и начать [репарацию], возникнут проблемы. В данном случае, похоже, клетка нашла другой способ сделать это».
Учёные разработали метод визуализации процесса репарации, основанный на геномном секвенировании, и с его помощью получили убедительные доказательства своей гипотезы: в клетках, в которых отсутствовал GreA, деградация ДНК вокруг участков разрывов была ниже. По мнению Хермана и Розенберга, это означало, что остановившиеся транскрипционные комплексы могли способствовать более интенсивному восстановлению.
Поддержка протеома
По словам Хермана, это наблюдение демонстрирует, что для клетки критически важно генерировать правильные белки, поскольку некачественные белки могут быть опаснее для клетки, чем поврежденная хромосома. Транскрипты матричных РНК не производятся в тех больших количествах, которых можно было бы ожидать: иногда производство жизненно важного белка клеткой зависит всего от нескольких из них — даже от одного. Таким образом, один-единственный некачественный транскрипт может иметь разрушительные последствия, не только напрямую изменяя ферментативную активность клетки, но и вызывая эффект домино, который делает другие, неродственные белки, неспособными функционировать должным образом.
Розенберг заявил, что исследователи ошибаются в расчётах, пытаясь решить эту проблему. Во время деления клеток в быстро растущей популяции E. coli клетки содержат более одной копии своей единственной хромосомы. Если ДНК разрывается в одной копии, это может быть фатальным для одной из линий дочерних клеток, но другие линии будут в порядке. Однако, если набор белков делящейся клетки (её протеом) скомпрометирован дефектными РНК-транскриптами, всё потомство может оказаться непригодным.
«Расчёт здесь заключается в том, что один плохой транскрипт может произвести очень большое количество плохих белков», — сказал Розенберг. «Последний решающий момент в жизни клетки — жизнь или смерть — больше связан с составом белков в ней, чем с потерей хромосомы».
«Это захватывающее открытие», — сказал Жан-Франсуа Гут, биолог-эволюционист из Университета штата Аризона. «Я думаю, эта история совершенно логична». Когда возникает конфликт между комплексами, участвующими в таких процессах, как транскрипция и репарация, которые одновременно имеют доступ к ДНК, «эволюция неизбежно подталкивает вас к наилучшему балансу», — добавил он.
Игра компромиссов
Другие эксперты интерпретируют результаты Германа и Розенберга по-разному. Николай Зенкин, молекулярный биолог из Ньюкаслского университета в Англии, считает, что эволюция не нашла баланса между транскрипцией и репарацией ДНК. Вместо этого она нашла способ смягчить другой конфликт — между транскрипцией и репликацией ДНК. Остановившиеся транскрипционные комплексы не просто помогают процессам репарации ДНК; они также могут вызывать двухцепочечные разрывы, вмешиваясь в клеточный механизм репликации ДНК. Таким образом, GreA способствует целостности генома, предотвращая разрывы ДНК, даже если это означает нарушение репарации любых разрывов, которые в конечном итоге произойдут. «Лучше избежать события, чем эффективно его исправить», — сказал Зенкин.
Более того, добавил Роберт Ллойд, почётный профессор генетики Ноттингемского университета в Англии, спонтанные двуцепочечные разрывы ДНК у E. coli встречаются относительно редко. Поэтому наблюдения команды Бэйлора, возможно, не так уж и удивительны: критически важным фактором для бактерий является точная экспрессия генов для выживания и процветания. «В нормальной растущей популяции, — сказал Ллойд, — необходимость в восстановлении разрывов ДНК не была бы столь важна, как необходимость обеспечения конкурентного преимущества по сравнению с другими видами». Если бы клетки эволюционировали в экстремальных условиях, где вероятность разрывов ДНК была бы выше, «они бы выработали другие механизмы для борьбы с этим, и эффективность экспрессии генов уже не была бы первостепенной задачей».
«Это не столько загадка, сколько неизбежное преимущество», — сказал Ллойд, — классический пример эволюционного компромисса.
Открытие Германа и Розенберга рисует более полную картину того, как транскрипция может быть связана с метаболизмом ДНК и какую роль она играет в обеспечении благополучия клетки, отметила Хаура Меррих, микробиолог из Вашингтонского университета. «Их исследование подчёркивает, насколько важно вернуться к основам генетики бактерий», — сказал Меррих. «Очевидно, что нам ещё многое предстоит узнать, и многое, чего мы не знаем о молекулярных механизмах, можно исследовать с помощью этой генетики».
Герман и Розенберг теперь хотят, чтобы их механизм был подтвержден более прямыми биохимическими экспериментами, и надеются изучить, в какой степени их результаты могут быть обобщены за пределы бактерий на более сложные клетки, включая человеческие. Если что-то подобное происходит в организмах более высокого уровня, сказала Розенберг, это может даже повлиять на исследования рака. Она предположила, что у людей, склонных к определенным видам рака, может наблюдаться неблагоприятный баланс между процессами транскрипции и репарации — и что небольшое снижение точности транскрипции может улучшить их здоровье. «Это открытие ошеломляет», — добавила она, — «потому что оно говорит: нет, можно подправить один маленький белок в клетке, и клетка может стать намного лучше справляться с репарацией ДНК». Но она предупредила, что суммарный эффект может быть скорее вредным, чем полезным, поэтому любое такое потенциальное лечение должно быть тщательно протестировано.
Оставив в стороне отдалённые медицинские достижения, Герман надеется, что его открытия вызовут больший интерес к исследованиям точности транскрипции, которые всегда отодвигались на второй план по сравнению с изучением восстановления ДНК. «Надеюсь, это изменит ситуацию», — сказал он. «И люди начнут уделять этому больше внимания».
Источник: www.quantamagazine.org
