Исследование репарации ДНК на уровне отдельных клеток

Повреждения ДНК — это неизбежная часть жизни клетки. Под воздействием внешних факторов (например, радиации) или внутренних ошибок в геноме возникают опасные разрывы, угрожающие стабильности ДНК и повышающие риск рака и нейродегенеративных заболеваний. Ученые из Нидерландов, Германии и Франции провели масштабное исследование, чтобы понять, как клетки восстанавливают двуцепочечные разрывы ДНК (DSB) на уровне отдельных клеток. Их работа, опубликованная в Nature Communications, раскрыла удивительную гетерогенность этого процесса и его связь с пространственной организацией генома.

Методы DamID и ChIC в действии

Для изучения репарации DSB ученые использовали две передовые технологии:

DamID — метод, при котором белки, связанные с ДНК, помечаются метилазой Dam. Это позволяет «отслеживать» их взаимодействия с геномом.
ChIC — технология, объединяющая антитела с микронуклеазой для точного картирования белков на ДНК.

Эксперименты проводились на человеческих клетках, где двуцепочечные разрывы искусственно вызывали с помощью фермента AsiSI. Это позволило контролировать местоположение разрывов и анализировать, как белки репарации (например, 53BP1, RAD51) распределяются в геноме.

Ключевые результаты

1. Репарация зависит от 3D-структуры генома

Оказалось, что белки, участвующие в восстановлении DSB, не просто «латают» повреждения, а занимают целые топологические домены (TAD) — участки хроматина, которые физически взаимодействуют друг с другом. Чем сильнее повреждение, тем больше вероятность, что репарационные белки распространятся на весь домен, повторяя его границы. Это напоминает работу «молекулярных машин», которые стабилизируют структуру хроматина во время ремонта.

2. Мультидоменные хабы

При множественных разрывах ДНК поврежденные участки объединяются в мультидоменные кластеры. Такие «хабы» чаще формируются в регионах с высокой хромосомной активностью (например, в зонах транскрипции). Чем крупнее кластер, тем скорее белки репарации координируют свою работу, что ускоряет восстановление. Интересно, что эти хабы могут включать даже участки разных хромосом!

3. Роль клеточного цикла и эпигенетики

Фаза клеточного цикла влияет на выбор пути репарации. Например, RAD51, участвующий в гомологичной рекомбинации, активнее в S-фазе, когда доступна сестринская хроматида. Эпигенетические метки (например, H3K36me3) маркируют активные гены и направляют репарационные белки к поврежденным участкам.

Практическое значение

Персонализированная терапия. Поскольку эффективность репарации зависит от контекста (например, стадии клеточного цикла), лечение можно оптимизировать, учитывая индивидуальные особенности пациента.
Борьба с раком. Мутации в генах репарации (например, BRCA1) делают опухоли уязвимыми к химиотерапии. Новые данные помогут разработать препараты, избирательно нарушающие восстановление ДНК в раковых клетках.
Изучение нейродегенертивных заболеваний. Механизмы ремиелинизации открывают пути для восстановления функций ЦНС при травмах и заболеваниях.

Выводы

Исследование показало, что восстановление ДНК — это не просто «починка» разрывов, а сложный процесс, тесно связанный с архитектурой генома и кооперацией между клеточными структурами. Учет этой гетерогенности позволит создать более эффективные методы лечения, направленные на усиление естественных механизмов репарации.

Дата публикации: 29.11.2024

Первоисточник:

de Luca KL et al. Genome-wide profiling of DNA repair proteins in single cells. Nat Commun. 2024 Nov 21;15(1):9918. doi: 10.1038/s41467-024-54159-4. PMID: 39572529; PMCID: PMC11582664. https://www.nature.com/articles/s41467-024-54159-4