Odkrywanie tajemnic naprawy DNA

Nasze organizmy są ekspertami w dbaniu o nasze DNA i stale monitorują wszelkie uszkodzenia, które wymagają naprawy, aby utrzymać nas w zdrowiu. Części DNA, które są bardzo powtarzalne, jak sekwencja powodująca chorobę Huntingtona (HD), są bardzo trudne do utrzymania, a nasze ciało może próbować je naprawić, ale tylko pogarsza sytuację! Może to sprawić, że sekwencje powtórzeń staną się dłuższe, a nawet bardziej toksyczne dla naszych komórek. W tym badaniu, prowadzonym przez fundację CHDI, naukowcy szczegółowo przyglądają się białkom odpowiedzialnym za wydłużanie tych sekwencji w HD, abyśmy mogli lepiej zrozumieć, jak działają i jak możemy je powstrzymać. Przyjrzyjmy się bliżej.

Wadliwy zamek błyskawiczny: jak naprawa DNA napędza HD

DNA składa się z czterech liter: A, T, G i C. Sekwencje tych liter tworzą instrukcje, które mówią naszemu organizmowi, jak wytwarzać wszystkie różne białka potrzebne do funkcjonowania i zachowania zdrowia. W HD występuje dłuższy odcinek powtórzeń liter C-A-G w sekwencji genu Huntingtyny. W ciągu życia wielkość tych powtórzeń może się wydłużać w niektórych komórkach mózgu najbardziej dotkniętych HD. Proces ten nazywa się ekspansją somatyczną.

Wyobraź sobie, że DNA w twoich komórkach jest jak zamek błyskawiczny w kurtce, a ząbki zamka to litery DNA. Normalnie zamek przesuwa się płynnie w górę i w dół, ale mogą pojawić się słabe miejsca, w których łatwo może powstać wybrzuszenie lub pętla.

Masz krawca, który naprawia błędy w zamku i zazwyczaj jest bardzo pomocny. Ale w słabym miejscu zamka krawiec czasami pogarsza problem i zamiast spłaszczyć wybrzuszenie, dodaje dodatkowe ząbki do zamka.

Teraz za każdym razem, gdy zamek jest otwierany i zamykany, słabe miejsce ma szansę się powiększyć. W HD słabe miejsce jest jak powtórzenia C-A-G w DNA Huntingtyny, a krawcem jest maszyneria naprawy DNA w komórce. Jest to ważny strażnik DNA w naszych komórkach, szczególnie w zapobieganiu zmianom w naszej sekwencji DNA, które mogłyby powodować raka. Mimo to długie powtórzenia C-A-G, takie jak te występujące w HD, mogą czasami dezorientować odpowiedź naprawczą, powodując, że powtórzenia stają się jeszcze dłuższe. Proces ten nazywa się ekspansją somatyczną i niektórzy naukowcy uważają, że może to powodować chorobę niektórych komórek mózgu.

Ważną częścią krawca naprawiającego DNA zaangażowanego w ekspansję są dwa białka zwane MSH2 i MSH3. Współpracują ze sobą jako zespół i są wspólnie znane jako MutSβ (wymawiane jako mut-es-beta). Wcześniejsza analiza DNA tysięcy osób z HD pokazała nam, że MutSβ może wpływać na wiek, w którym zaczynają się objawy. Z tego powodu MutSβ stał się ekscytującym obszarem badań nad HD, które pokazały, że powstrzymanie MutSβ przed działaniem na uszkodzony zamek DNA może pomóc spowolnić ekspansję somatyczną i postęp choroby.

Badania naukowe coraz częściej pokazują nam, że hamowanie MSH3 lub zmniejszanie ilości MSH3 w mózgu może zapobiec wydłużaniu się powtórzeń C-A-G, a nawet może zmniejszyć długość C-A-G, co czyni go ekscytującym celem dla nowych potencjalnych terapii HD.

Podglądanie jak działają białka naprawy niesparowanych zasad

Aby lepiej zrozumieć, jak kompleks MutSβ może pogorszyć stan zamka DNA, autorzy użyli techniki zwanej kriomikroskopią elektronową (kryo-EM). Jest to sposób na przyjrzenie się kształtowi i strukturze cząsteczek białka – jak robienie zdjęcia pokazującego, jak wyglądają w konkretnym momencie.

Wyobraź sobie, że chcesz zobaczyć, jak naprawdę wygląda płatek śniegu. Jeśli pozwolisz mu zbyt długo leżeć na rękawiczce po wylądowaniu, stopnieje lub zmieni kształt, zanim zobaczysz wszystkie jego skomplikowane szczegóły.

Kryo-EM działa jak aparat fotograficzny dla maleńkich biologicznych „płatków śniegu”. Próbki są szybko zamrażane, dzięki czemu białko jest uwięzione w swoim naturalnym kształcie. Wykonywanych jest wiele zdjęć, które mogą uchwycić różne kształty i pozycje, jakie może przyjmować białko. Pomaga nam to zrozumieć, jak białka zmieniają konformację, aby wykonywać swoje zadania.

W tym badaniu naukowcy użyli kryo-EM do zrobienia zdjęcia MutSβ zarówno przed, jak i po związaniu z DNA. Byli w stanie uzyskać 9 różnych obrazów MutSβ, w tym w następujących warunkach:

• Gdy nie jest przyłączony do DNA
• Gdy jest związany z normalnym DNA bez błędów
• Gdy jest związany z DNA zawierającym niedopasowane DNA

Te obrazy pokazują, jak kompleks MutSβ porusza się i zmienia kształt, gdy wykrywa błędy w DNA. Normalnie pomaga to komórce naprawić DNA, ale w przypadku HD może pogorszyć sytuację.

Naukowcy odkryli, że kształt i pozycja MutSβ zależą od tego, czy jest przyłączony do DNA, a także od małych cząsteczek energetycznych, takich jak ATP. Cząsteczki ATP są jak komórkowe pakiety energii, trochę jak paliwo dla silnika, które może utrzymać wszystko w ruchu. Obie części MutSβ, MSH2 i MSH3, mogą chwytać ATP i wykorzystywać je do naprawy DNA.

Zdjęcia MutSβ z tego badania pokazują, że zaczyna on w kształcie otwartego zacisku. Ten otwarty zacisk może chwycić DNA i skanować je w poszukiwaniu błędów w zamku DNA. Gdy zostanie znaleziony błąd, zacisk zatrzaskuje się i może przesuwać się wzdłuż DNA, napędzany przez ATP. To rozpoczyna kolejne etapy procesu naprawy. Po zakończeniu swojej pracy MutSβ wykorzystuje więcej ATP, aby odłączyć się od DNA.

Dlaczego interesuje nas struktura MutSβ?

Poznając kształt MutSβ w jak najdrobniejszych szczegółach, szczególnie podczas wykonywania jego pracy przy naprawie DNA, możemy znaleźć kieszenie na powierzchni białka, do których przyszły lek mógłby się przyłączyć, aby zatrzymać ten proces. To jak szukanie odpowiedniego klucza, który idealnie pasuje do konkretnego zamka. Jeśli wiemy, jak wygląda białko, możemy idealnie zaprojektować lek, który powinien silnie wiązać się z białkiem w określonym miejscu i powstrzymać jego działanie. Ostatecznie możliwość zatrzymania lub nawet odwrócenia ekspansji powtórzeń C-A-G mogłaby być świetną drogą terapeutyczną dla HD, a także innych chorób, które są również spowodowane ekspansją powtórzeń, w tym kilku ataksji rdzeniowo-móżdżkowych i rdzeniowo-opuszkowego zaniku mięśni.

Podsumowanie:

• MutSβ (MSH2 + MSH3) to maszyna naprawy DNA, która normalnie pomaga zapobiegać mutacjom powodującym raka.
• W HD, MutSβ może czasami przypadkowo wydłużać powtórzenia CAG w genie HTT, co prawdopodobnie prowadzi do śmierci neuronów i szybszego postępu choroby.
• Nowe dane o strukturze 3D białek MutSβ i sposobie działania tej maszyny molekularnej pomogą w projektowaniu leków, które mogą hamować jej aktywność, zapobiegając wydłużaniu powtórzeń CAG.

Dowiedz się więcej

Oryginalny artykuł naukowy, „Wyjaśnienie wielu wysokorozdzielczych stanów ludzkiego MutSβ za pomocą kryo-EM ujawnia wzajemne oddziaływanie między wiązaniem ATP/ADP a rozpoznawaniem heterodupleksowego DNA” (otwarty dostęp).