ДНК в клетках человека состоит из двух цепей, которые периодически рвутся. Чаще всего разрывы одноцепочечные — в клетках млекопитающих в среднем их происходит больше 50 тысяч в сутки. Причиной для одноцепочечных разрывов в ДНК могут быть внутриклеточные агенты, которые химически нарушают целостность ДНК, или внешние факторы: например, ионизирующее излучение. Одноцепочечные разрывы не так опасны, как двуцепочечные, однако тоже представляют угрозу для деления клеток и работы генов.

Если бы каждые сутки клетки накапливали по 50 тысяч одноцепочечных разрывов, никак на них не реагируя, они не смогли бы делиться и функционировать, отчего вскоре бы погибли. Чтобы справляться с таким количеством повреждений, в ядре существуют специальные системы, способные восстанавливать ДНК — ферменты репарации. Чаще всего во время репарации происходит зачистка участка вокруг разрыва, который потом достраивается заново. В частности, при замене в ДНК азотистого основания возможны два пути: с «короткой заплаткой», при котором происходит удаление и замена только одного поврежденного нуклеотида, и с «длинной заплаткой», где заново достраивается более длинный участок вокруг разрыва.

Биологи из национального института онкологии США под руководством Вэй У (Wei Wu) исследовали происхождение разрывов в нейронах мозга после дифференцировки. Для этого они создали систему учета восстановления ДНК: добавили к нейронам меченые нуклеотиды ДНК, которые встроились в нее в местах повреждений, и восстановили последовательности после репарации. Оказалось, что участков, которые прошли репарацию одноцепочечных разрывов в нейронах, намного больше, чем, например, в мышечных клетках.

Тогда биологи решили проверить: одноцепочечные разрывы происходили в случайных местах генома или в определенных последовательностях. Они провели анализ участков, которые прошли процесс репарации, и обнаружили, что они несут белковые метки энхансеров — районов, которые способны усиливать экспрессию генов, с которыми они взаимодействуют. При этом эти энхансеры были специфичны для нейронов и усиливали работу генов, отвечающих за нейронную «клеточную судьбу».

Чтобы проверить, по какому из путей происходит репарация одноцепочечных разрывов в нейронах, биологи отключили по очереди ферменты «короткой заплатки» и «длинной заплатки». Оказалось, что в первом случае «заплатки» (количество меченых нуклеотидов в месте повреждения) становились больше, а во втором — меньше. Это свидетельствует о том, что активны могут быть оба пути репарации, которые заменяют друг друга. Исследователи считают, что открытие повышенного количества повреждений ДНК в районах энхансеров у нейронов может быть связано с развитием нейродегенеративных заболеваний, которые вызваны дефектами в ферментативных системах репарации.

Репарация ДНК важный процесс не только для естественных процессов в клетках, но и для экспериментов: например, на ее механизмах основано редактирование генома. На основе механизмов репарации недавно научились при помощи машинного обучения предсказывать результат редактирования CRISPR, а ферменты репарации используют и для более новых подходов к трансгенезу.

Фото: Wu et al. / Nature, 2021