Молекулярный детектив

Сайт Наука в Сибири 20 июля 2017 г.
Сайт Новости Сибирской Науки 21 июля 2017 г.

Когда клетка делится, копируются не только нити ДНК, но также набор и расположение связанных с ними белков, включающих и выключающих гены. До сих пор неизвестно, какие механизмы управляют этим процессом. Учёные Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН, кажется, вышли на след.

Эта история началась почти 20 лет назад, когда Игорь Фёдорович Жимулёв и Елена Сергеевна Беляева (работавшие на тот момент в лаборатории Института цитологии и генетики СО РАН, из коллектива которой потом вырос ИМКБ) поспорили о чём-то, с темой нашей сегодняшней статьи никак не связанном, и для разрешения спора достали препараты с хромосомами дрозофил, сделанные в 1970-х годах. Случайно исследователи обратили внимание, что в этих хромосомах репликация ДНК происходит более эффективно, чем в остальных линиях мух. Они выяснили, из какой линии дрозофил был сделан этот препарат, срочно нашли её в США и выписали в Новосибирск.

Оказалось, что необычная картина репликации ДНК у этих мух сохранялась на протяжении десятилетий, а значит — носит наследственный характер. Через несколько лет напряженной работы учёным удалось найти мутацию, вызывающую этот эффект, и охарактеризовать ген, в котором она произошла. Так был открыт ген, кодирующий белок SUUR.

Позже выяснилось, что белок SUUR участвует в репликации. Причём учёные заметили парадоксальный факт: как правило, мутации, затрагивающие процесс репликации, снижают эффективность этого процесса. Однако нарушение функции белка SUUR имеет абсолютно обратный эффект. Долгое время это явление не поддавалось объяснению, и только в 2015 году возникла гипотеза, объясняющая основные эффекты, c ним связанные.

“Белки образуют с ДНК сложную систему. Они обеспечивают реализацию заложенной в хромосоме генетической информации, определяют, какие гены активны, какие нет. Соответственно, когда клетка делится, ей нужно сделать точные копии не только ДНК, но и разметку из связанных с ней белков-регуляторов”, — рассказывает заведующий лабораторией геномики ИМКБ СО РАН кандидат биологических наук Степан Николаевич Белякин.

“Если мы рассмотрим клетку глаза и клетку носа, в них будут работать разные гены, при том, что ДНК там одинаковая. Активен ген или нет, определяется по тому, считывается ли с него РНК, — она выступает переносчиком информации, закодированной в ДНК, и используется для синтеза белка. С активным геном связаны специальные белки, способствующие его активации, а с неактивным — белки, которые эту активацию запрещают, — отмечает учёный. — Какие белки являются активаторами, какие репрессорами, достаточно хорошо известно. То, как они это делают, тоже более-менее понятно. Но механизм наследования этой разметки на хромосоме — довольно свежая область, и в ней пока изучено не так уж и много”.

Эту систему можно сравнить с жёстким диском компьютера. Представим, что на нём установлено сразу несколько операционных систем — Windows, Linux, Mac OS. Каждая из них записана на определённом отрезке диска, так же и на хромосоме на разных участках записаны гены, определяющие ту или иную программу развития клетки. Когда вы включаете компьютер, вы загружаете конкретную операционную систему. В клетке на хромосоме есть разметка, определяющая, какая программа развития будет запущена. Когда клетка копирует ДНК, она копирует весь “диск”, со всеми его операционными системами, но как дочерней клетке передаётся эта разметка?

Если белок, активирующий работу гена, свяжется с тем геном, который активным быть не должен, может нарушиться нормальное функционирование организма. В частности, это является причиной возникновения некоторых онкологических заболеваний.

Какое место здесь занимает белок SUUR? Представим себе ДНК как рельсы, по которым движется машина репликации, состоящая из большого количества известных белков и занимающаяся раздвоением путей. Сначала эта машина разделяет цепочку ДНК на две нити, а потом специальный фермент по принципу комплементарности для каждой из них достраивает недостающую часть. Когда состав доходит до конца хромосомы, получаются две копии рельсов, которые абсолютно идентичны изначальным.

Исследователи ИМКБ СО РАН обнаружили свидетельства в пользу того, что белок SUUR “путешествует” вместе с этой машиной и отвечает за то, чтобы белки, поддерживающие неактивное состояние гена, занимали в получившихся копиях нужные места. В частности, у тех самых мушек-мутантов без белка SUUR утрачена способность восстанавливать на дочерних цепях ДНК определенные белки. “У нас есть модель того, как это работает. Предположение опубликовано в 2015 году. Сейчас мы находимся в процессе тестирования этой модели”, — говорит Степан Белякин.

SUUR.jpg

Дрозофиле утрата белка SUUR ничем не грозит, потому что она — организм простой и генетически продвинутый, все системы в ней очень хорошо отлажены. Если убрать с гена белок, блокирующий его активацию, это ещё не значит, что этот ген заработает, — для этого нужны другие специфические белки, способствующие активации. “Мухи без SUUR абсолютно жизнеспособны и живут себе припеваючи. Вы вынули один винтик — и весь механизм не разрушился, только немного забарахлил. Но поскольку этот механизм существует, мы его можем изучить на дрозофиле и понять, на каких принципах он работает”, — объясняет учёный.

Белок SUUR присутствует только у двукрылых насекомых, больше ни у кого его нет. Можно подумать, что Homo sapiens в процессе своей триумфальной эволюции отбросил SUUR за ненадобностью. Но на самом деле всё наоборот, дрозофила — это более эволюционно продвинутый организм, чем человек, просто за счёт того, что её поколение развивается всего за 10 дней, а не 20 лет, как у человека. Соответственно, она может гораздо быстрее меняться и развиваться. Получается, SUUR — это своего рода эволюционная инновация.

Однако принципы функционирования системы репликации близки у всех живых организмов — клетка так же делится, она так же должна сделать две копии хромосом со всей разметкой активных-неактивных генов. “По сути, белок SUUR сейчас — один из первых выходов на этот механизм. Мы изучаем его пока только на дрозофиле и не притворяемся, что прямо сейчас начнём применять полученные результаты, например, для лечения онкологии. Но мы этим занимаемся потому, что все остальные участники процесса репликации очень похожи — у человека, у мухи, у коровы, — говорит Степан Белякин. — Сейчас у нас на руках только один белок. Мы даже не знаем, какую биохимическую функцию он выполняет, но через него можем выйти на других участников этого механизма у дрозофилы, более консервативных (то есть присутствующих и у других организмов тоже), и, изучив их уже у человека, найти похожие механизмы и в человеческой клетке. Это как теория шести рукопожатий в социальных сетях — когда все оказываются «знакомы» друг с другом через несколько звеньев. От нас требуется восстановить эту цепочку для белка SUUR”.

Создание модели, по которой, как предполагают исследователи, действует белок SUUR, далось им нелегко. Для неё было всего несколько предпосылок, и учёным пришлось долго ломать голову, как связаны друг с другом разрозненные экспериментальные факты. Сейчас идёт ещё более трудоёмкая работа по подтверждению и дальнейшей разработке гипотезы. “Нужно ставить чёткие эксперименты, которые будут давать ответ на простые вопросы типа да или нет. Либо мы предположили правильно, либо неправильно. И если нам удаётся получить действительно хороший однозначный результат, тогда это большая удача, мы говорим — ага, здесь, на этой развилке, сворачиваем направо, и задаём следующий подобный вопрос. Такими маленькими шагами продвигается развитие гипотезы, — рассказывает исследователь. — Пока мы не можем сказать: “Да, мы проверили, всё так”. Но можем сказать: “Мы провели эксперименты, и ни один из полученных результатов не указывает на то, что это точно не так”. То есть, у нас нет данных, которые противоречат нашей теории, хотя мы всячески пытаемся их получить”.

Продвигаясь такими маленькими шагами, учёные постепенно приближаются к истине. В медицине подобный процесс называется дифференциальным диагнозом, когда не понятно, чем именно болеет пациент, и врач один за другим проверяет: генетическое — не генетическое, метаболическое или инфекционное… В итоге остается всего пара-тройка направлений и среди них можно будет выделить верное.

“Наша работа, которая сейчас должна выйти в печати, в числе прочего фактически представляет доказательства того, что белок SUUR не определяет, где изначально должны связаться белки-репрессоры. Мы сравнили ранние эмбрионы дрозофилы нормальной линии и без белка SUUR. У них в самом начале, на этапе, когда это ещё маленькое яйцо из нескольких сотен клеток, репрессоры связаны одинаково. То есть эффект от отсутствия SUUR возникает позднее в развитии. Это очень сильное свидетельство в пользу нашей модели”, — говорит Степан Белякин.

Подготовила Диана Хомякова
Рисунок Ольги Посух