Восстановить ДНК

Interfax-Russia.ru — Новосибирские ученые открыли новый способ восстановления повреждений ДНК. А их томские коллеги работают над созданием геномного принтера.

© РИА Новости. Александр Кряжев

Как известно, ДНК — основной носитель генетической информации — построена из отдельных "букв" — нуклеотидов, а они, в свою очередь, состоят из азотистого основания и сахара-дезоксирибозы. При этом именно основаниями в геноме "зашита" инструкция, как функционировать тому или иному организму. Однако по тем или иным причинам эта система может давать сбой. На ДНК может воздействовать радиация, ультрафиолетовое излучение, опасные химикаты. Одними из самых мутагенных являются такие повреждения ДНК, при которых из нее "выпадают" азотистые основания — аденин, гуанин, тимин и цитозин — своего рода "буквы" генетического кода. Они называются апурин-апиримидиновыми сайтами, или просто АП-сайтами.

"Они очень мутагенны и токсичны для клетки, когда та начинает копировать свою ДНК перед делением — из-за отсутствия "буквы" аппарат репликации (удвоения ДНК) не знает, что именно нужно поставить напротив нее, и либо прекращает свою работу, либо включает произвольный нуклеотид, что с большой вероятностью вызывает мутацию", — пояснили в Институте химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения Российской академии наук (ИХБФМ СО РАН, г. Новосибирск).

Кроме того, как оказалось, поврежденные элементы в структуре ДНК могут легко взаимодействовать с другими молекулами в живой клетке. Например, АП-сайты образуют сшивки с разными белками, которые всегда в большом количестве связаны с ДНК. По сравнению с другими видами повреждений ДНК-белковые сшивки отличаются большими размерами, из-за чего мешают и репликации, и чтению генов.

Также дефекты в системе репарации ДНК-белковых сшивок вызывают тяжелые наследственные заболевания, например, синдром Рюйс-Алфс, отличающийся ускоренным старением. Поэтому их надо быстро исправлять. Для этого клетки используют специальные белки-протеазы, которые разрушают белковую часть сшивки, и в ДНК остается АП-сайт с пришитым коротким белковым кусочком — пептидом.

Недавно ученые ИХБФМ СО РАН разработали новый способ получения сшивок пептидов с АП-сайтом в ДНК и применили его для изучения мутагенных свойств таких повреждений и их репарации. Работа опубликована в международном журнале Nucleic Acids Research.

"Оказалось, что даже несмотря на пришивку к ДНК достаточно большого фрагмента белка, ДНК-полимеразы (ферменты, отвечающие за репликацию) воспринимают и просто АП-сайт, и пептидную сшивку примерно одинаково. Столкнувшись с повреждениями обоих видов, они на какое-то время останавливаются, но с некоторой эффективностью способны преодолевать его", — говорится в пресс-релизе, распространенном институтом.

Выяснилось, что те же ферменты репарации, которые исправляют обычные АП-сайты, устраняют также и сшивки с пептидами. Причем, и у бактерий, и у дрожжей, и даже у человека.

"Мы никак не ожидали, что те же ферменты репарации, которые исправляют обычные АП-сайты, будут прекрасно устранять и сшивки", — сказала сотрудница ИХБФМ СО РАН, автор исследования Анна Юдкина.

Специалисты полагали, что белки АП-эндонуклеазы, которые в норме расщепляют АП-сайты в ДНК, специализированы именно для репарации этого типа повреждений, и пришитые к ДНК пептидные фрагменты размером 10-20 аминокислотных остатков, должны мешать их работе. Оказалось, однако, что АП-эндонуклеазы бактерий и дрожжей эффективно расщепляют ДНК со сшивкой.

Фермент человека, по данным ученых, показывал более низкую активность, но она все равно была сравнима с его активностью на некоторых отличных от обычного АП-сайта повреждениях ДНК.

"Определять количество белковых сшивок с АП-сайтами научились лишь недавно, и оказалось, что таких повреждений в ДНК очень много. Наша работа закрывает вопрос о том, как проходит их репарация в клетке", — отметила Юдкина.

Между тем, ученые Томского университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) работают над созданием геномного принтера. В настоящее время готов рабочий макет агрегата.

"ТУСУР завершил сборку рабочего макета геномного принтера. На этом макете уже можно проводить экспериментальные исследования. К концу года ученые планируют завершить третий этап работ — собрать готовый рабочий образец принтера", — сообщили "Интерфаксу" в пресс-службе вуза в феврале 2023 года.

Основной компонент принтера — пьезоэлектрический дозатор — в России произведен впервые.

Как сообщалось, на первом этапе ученые ТУСУР собрали для принтера подложку для синтеза олигонуклеотидов — фрагментов ДНК и РНК.

"Мы разработали подложку из материала мембранного типа, который лучше всего подходит для стандартной химии, которая применяется в классическом синтезаторе (устройстве для синтеза олигонуклеотидов — ИФ)", — цитировала пресс-служба вуза заведующего лабораторией аддитивных технологий и инженерной биологии Руслана Гадирова.

По его словам, испытания образцов подложек показали, что синтез идет "достаточно чисто", а на мембранных материалах получаются большие количества качественных олигонуклеотидов без ошибок синтеза. Так, на подложке 25 мм на 75 мм легко размещаются массивы из нескольких десятков тысяч спотов — точек, в которых происходит синтез.

"Размеры массивов олигонуклеотидов, которые мы создаем, и размеры самих спотов накладывают высокие требования по точности и скорости перемещения дозаторов, частоте вылета и размеру капель, точности попадания. Для того, чтобы синтезировать в одном споте олигонуклеотид длинной 100 букв, мы должны в одну точку диаметром около 100-120 микрон (это примерно два диаметра человеческого волоса) попасть из разных сопел каплями объемом в несколько нанолитров с движущейся печатающей головки порядка тысячи раз с погрешностью не более 5 микрон", — пояснил Гадиров.

По его словам, эта задача требует от разработчиков геномного принтера ювелирной точности. Однако в результате устройство позволит в сотни раз уменьшить стоимость процесса изготовления подложек с олигонуклеотидами.

Ранее сообщалось, что ТУСУР выиграл грант Минобрнауки РФ в размере 320 млн рублей на создание геномного принтера. Ученым и разработчикам предстоит разработать технологию субмикролитрового дозирования жидкостей для задач инженерной биологии, создать и апробировать опытный образец системы автоматического синтеза олигонуклеотидов (фрагментов ДНК и РНК) на ее основе. Большинство производителей олигонуклеотидов, необходимых для создания генных конструкций, в настоящее время локализовано в США.

Партнерами ТУСУРа в проекте выступят еще два томских вуза — СибГМУ и ТГУ. Также участие в разработке примут "Курчатовский институт", Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН и АО "НПФ "Микран".