Каталог ДНК-шрамов проливает свет на способ обхода резистентности к раку.

ДНК – это молекула жизни: эта двухспиральная структура, присутствующая в каждой клетке организма и организованная в фрагменты, называемые генами , хранит инструкции для функционирования организма. Это высокоточная биологическая машина, но иногда она ломается. Это может происходить спонтанно, из-за сбоев в метаболизме клетки или под воздействием внешних факторов, таких как воздействие солнца, например, или других канцерогенов , таких как табак. Когда эта важнейшая молекула разрывается, клетке приходится восстанавливать эти разрывы, чтобы выжить, но иногда на месте повреждения остаётся своего рода шрам – генетические изменения, содержащие ключевую для науки информацию.

Фелипе Кортес, учёный из Испанского национального центра онкологических исследований (CNIO), объясняет, что клетка обычно весьма тщательно восстанавливает поврежденную ДНК . В большинстве случаев она добросовестно восстанавливает поврежденную молекулу, не оставляя следов. Однако, когда механизмы репарации «ошибаются», появляются рубцы – своего рода мутационные швы, которые могут раскрыть много информации о том, что произошло: например, кто нанёс повреждение или как был закреплён разрыв. Эти сигналы настолько ценны для науки, что Кортес и его команда создали каталог рубцов , который они назвали «человеческим репаратомом»: это реестр, описывающий, как каждый из 20 000 человеческих генов влияет на восстановление ДНК. По словам авторов, опубликовавших свои результаты в этот четверг в журнале Science , этот список – «платформа для новых открытий». Кортес утверждает, что это уже позволило выявить генетические механизмы, участвующие в развитии рака почки, и поможет разработать персонализированные методы лечения онкологии.

Исследователи сосредоточились на определённом типе повреждения ДНК , возникающем при разрыве характерной двойной спирали. Это повреждение может быть вызвано случайной ошибкой репликации ДНК, а также внешними факторами, такими как воздействие рентгеновского излучения или лекарственных препаратов. Химиотерапия и лучевая терапия, например, убивают опухолевые клетки, вызывая этот тип разрыва.

Авторы объясняют, что иногда методы лечения рака, направленные на разрушение ДНК злокачественных клеток, оказываются неэффективными, поскольку опухолевые клетки учатся восстанавливать повреждения, вызванные этими препаратами, и рак становится устойчивым к лечению. Исследователи считают, что механизмы репарации ДНК играют ключевую роль в эволюции опухолей и считают крайне важным понять, как злокачественные клетки восстанавливают эти повреждения ДНК, а также как можно предотвратить это восстановление.

«Этот каталог будет использоваться для поиска потенциальных уязвимостей опухолей, но он также может помочь нам предсказать, как они будут развиваться, какие типы мутаций они будут накапливать, и обнаружить потенциальную будущую резистентность», — прогнозирует Кортес, руководитель группы топологии и разрывов ДНК CNIO и ведущий автор исследования вместе с исследователями Эрнесто Лопесом де Альбой, Исраэлем Сальгеро и Даниэлем Хименесом.

При создании этого каталога учёные учли важную деталь: характер рубцевания , остающегося в ДНК после восстановления разрыва двойной спирали, меняется в зависимости от того, какие гены отсутствуют или присутствуют в клетке. Поэтому они сгенерировали около 20 000 различных популяций клеток — столько же, сколько генов у человека, — и в каждой из них отключили один ген. Затем они вызвали разрывы во всех этих популяциях и наблюдали мутационный отпечаток, который клетка оставляет после восстановления повреждения. «Таким образом, мы определили, как отсутствие каждого из 20 000 генов человека влияет на рубцевание », — отмечает Кортес.

Исследователь из CNIO отмечает, что в этом механизме клеточного восстановления есть гены, которые задействованы больше других: «Мы наблюдали, что во многих случаях удаление одного из этих 20 000 генов не оказывает никакого влияния. Он продолжает восстанавливаться точно так же. Но мы также смогли выявить случаи, в которых при отсутствии определённого гена этот рубец меняется. И о чём это нам говорит? Это гены, которые влияют на то, как клетка будет восстанавливать этот разрыв, и мы также можем сделать вывод о том, как [этот ген] способствует восстановлению».

Чтобы обосновать свои выводы, Кортес проводит аналогию с ящиком с инструментами: «Все ваши гены — это инструменты в ящике. Представьте, что нам нужно выполнить какую-то работу в доме, и мы достаём из ящика каменщика все инструменты, один за другим. И затем видим конечный результат. По результату мы можем сделать вывод о том, какие инструменты были нужны и для чего каждый из них использовался».

Абель Гонсалес-Перес, научный сотрудник Лаборатории биомедицинской геномики Института биотехнологий Барселоны, отмечает, что изучение изменений ДНК «необходимо» для понимания, среди прочего, таких процессов, как развитие опухолей или механизмы других заболеваний. Учёный, не принимавший участия в данном исследовании, подчёркивает, что авторы исследовали малоизученный тип изменений, и подчёркивает важность одного из своих открытий: они идентифицировали «некоторые гены, участие которых в репарации двухцепочечных разрывов ДНК не было достаточно подтверждено или ранее было неизвестно».

Свободный доступ к научному сообществу

Авторы предоставили этот репаром научному сообществу , и Кортес ожидает, что он станет ключевой платформой для новых открытий. На данный момент, по его словам, они уже обнаружили, что характер рубцевания , обнаруженный при раке почки, связан с отсутствием определённого гена. «С точки зрения механизма, этот каталог позволит нам идентифицировать новые гены, участвующие в репарации ранее неизвестных разрывов ДНК. Но мы также можем найти объяснение характеру рубцевания , связанному с определёнными опухолями», — поясняет он.

Еще одна область, в которой, как они надеются, репаром внесет свой вклад, — это генетическое редактирование: такие методы, как молекулярные ножницы CRISPR-Cas , основаны именно на индуцировании разрывов для вызывания определенных изменений в ДНК, и авторы полагают, что более глубокое изучение того, как работают эти механизмы восстановления, поможет оптимизировать инструменты генетического редактирования.

Кортес снова резюмирует всю свою работу с помощью другой аналогии, в которой гены – это инструменты в аптечке: «Мы удаляем каждый из этих компонентов. Аптечка используется для лечения раны, и мы видим, какими характеристиками обладают рубцы в зависимости от того, чего не хватало в аптечке. Таким образом, мы можем определить, какие компоненты аптечки важны для заживления ран, сделать вывод об их конкретном предназначении и какие компоненты служат той же цели. В качестве приложения вы можете увидеть, какие компоненты нужно удалить, чтобы рана не зажила (лечение рака) или чтобы она зажила, оставив желаемый рубец (управление редактированием генов )».