«Нобель» за ремонт ДНК

Нобелевская премия по химии 2015 года была присуждена за исследования в области изучения методов восстановления ДНК шведу Томасу Линдалю и американцам Полу Модричу и Азизу Санджару. Отдел науки «Газеты.Ru» при участии члена-корреспондента РАН Ольги Лаврик рассказывает о том, почему премию в этой области ждали уже давно.

Человеческий геном кодирует всю информацию о нашем теле. Во время каждого деления клетки создается копия более чем 3 млрд пар нуклеотидов, которая передается дочерней клетке, при этом неизбежно возникновение ошибок. Они копятся в ДНК человека на протяжении всей его жизни. Большая часть этих ошибок не представляет для организма никакой опасности, однако некоторые становятся причиной возникновения ряда серьезных заболеваний, например рака, нейродегенеративных болезней, а также ускоряют старение организма. Повреждения ДНК могут блокировать осуществление некоторых внутриклеточных процессов, таких как репликация и транскрипция ДНК. Впрочем,

ошибки копирования ДНК не только представляют собой угрозу для здоровья человека, но и являются одним из механизмов эволюции: без генетических изменений приспособление живого существа к новым условиям жизни было бы невозможным.

Швед Томас Линдаль (его нынешняя Нобелевская премия стала первой для Швеции начиная с 2000 года) задался вопросом о том, насколько стабильной является ДНК, еще в конце 1960-х годов. В то время научное сообщество полагало, что молекула ДНК — основа жизни на Земле — обладает способностью приспосабливаться к новым условиям жизни, однако число мутаций, которые происходят на протяжении жизни клетки, должно быть ограниченным. Считалось, что если бы мутации были многочисленными, то сложные многоклеточные организмы попросту не могли бы существовать.

В начале своей карьеры Томас Линдаль занимался исследованиями РНК — «собрата» ДНК, которая кодирует генетическую информацию и участвует в синтезе белков. Ученый заметил: во время экспериментов, связанных с изменениями температуры, РНК очень быстро деградировала. Именно поэтому Линдаль задался вопросом: насколько стабильной в таком случае является молекула ДНК? Через несколько лет Линдалю удалось выяснить, что

ежедневно человеческому геному наносятся тысячи потенциально опасных повреждений, а это — по представлениям того времени — было попросту несовместимо с существованием человека.

Исследователь пришел к выводу, что в таком случае организм должен обладать особыми системами, обеспечивающими постоянную «починку» генетического кода.

В 1974 году Томас Линдаль опубликовал первые результаты своих исследований: он сообщил об обнаружении бактериального фермента, который «убирал» из молекулы ДНК поврежденные остатки азотистого основания под названием цитозин. Именно цитозин является одним из легко повреждающихся частей ДНК — во время копирования он склонен к потере аминогруппы, в результате чего начинает соединяться не с гуанином, а с аденином. Линдаль продолжал исследовать механизм удаления поврежденных азотистых оснований, и в 1996 году ему удалось воспроизвести процесс «починки» молекулы в лабораторных условиях.

«Абсолютно заслуженно премию получил Томас Линдаль за открытие системы репарации оснований, — заявила «Газете.Ru» Ольга Лаврик, член-корреспондент РАН, доктор химических наук, заведующая лабораторией биоорганической химии ферментов Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН. — Совсем недавно была конференция, посвященная его работе в этой области, она была в Осло в июне этого года, я была участником этой конференции.

Уже на этой конференции было такое ощущение, что, наверное, Томас получит Нобелевскую премию, потому что вся конференция была в продолжение его работ в этой области и все доклады были посвящены его работам в этой области.

Он был первооткрывателем нестабильности ДНК и способности ДНК терять основания до следующего механизма репарации этих повреждений ДНК. И что является отличительной чертой этого человека, он воспитал огромную школу ученых, которые работают в этой области, и все относятся к нему с огромным уважением. Это было заметно по всем конференциям с его участием, особенно по последней, которая стала эдакой преамбулой к его Нобелевской премии.

Для многих то, что он говорил на последней конференции, стало совершенно неожиданным. Например, он говорил, что мы должны обращать большее внимание на развитие оставшихся неизвестными фундаментальных знаний в этой области. Он — человек с большим чувством юмора. Например, на своем последнем слайде он показал, что исследования прикладных областей репарации ДНК выглядят как разорванный башмак. То есть нужна более единая концепция проведения этих исследований.

Фактически месседж состоял в том, то нужно вернуться к фундаменту, а не травить все больше и больше крыс в ходе создания нового лекарства.

Нужно хорошо подумать про магистральный путь. То есть он — человек, который мыслит вот такими категориями».

Интересно, что Томас Линдаль является членом Нобелевского комитета. В связи с этим комитет выпустил специальное сообщение, в котором аккуратно отмечается, что Линдаль не участвовал в присуждении ему Нобелевской премии.

Азиз Санджар также занимался вопросом о том, как именно восстанавливается поврежденная клетка, на протяжении многих лет — посвященная этой теме работа вышла в свет в 1983 году. Однако в отличие от Линдаля Санджар интересовался несколько иной стороной проблемы: он хотел выяснить, как ДНК «ремонтирует» себя после повреждений, нанесенных ультрафиолетовыми лучами. Ученому удалось обнаружить и выделить ферменты, кодируемые генами под названием uvrA, uvrB и uvrC. Санджар доказал, что их работа позволяет найти «ультрафиолетовое» повреждение, сделать в ДНК «разрез» и удалить поврежденный фрагмент молекулы, обычно состоящий из 12–13 нуклеотидов. За этими процессами Азизу Санджару также удалось понаблюдать в лабораторных условиях.

Ольга Лаврик отзывается об ученом следующим образом: «Азиз Санджар — просто фанатик от науки. Он родом из Турции, но проработал в США, в Университете Чапел-Хилл, я его тоже лично хорошо знаю. Он настолько предан науке, что мало ездил на конференции, чтобы не терять времени.

И когда конференции проходили в Чапел-Хилл, Санджар, делая доклад, выходил на трибуну в рабочем халате и быстро возвращался в лабораторию к своим исследованиям».

Американец Пол Модрич из Стэнфордского Университета известен тем, что ему удалось найти еще один механизм починки ДНК, который называется «репарация ошибочно спаренных нуклеотидов» (DNA mismatch repair). Эта система начинает работать в том случае, когда на дочерней нити ДНК образуются вставки, пропуски или ошибочные спаривания нуклеотидов. Процесс репарации заключается в распознавании дефекта, определении материнской и дочерней нитей ДНК и исправлении ошибки. Удаляется обычно не только «неправильный» нуклеотид, но и часть нити ДНК вокруг него. После этого дочерняя нить ДНК восстанавливается, но уже без ошибок. В 1989 году Пол Модрич опубликовал статью, в которой описывал все детали процесса репарации, — понаблюдать за ними ученому также удалось в ходе лабораторных экспериментов. Кроме того,

работа исследователя показала, что репарация ошибочно спаренных нуклеотидов сокращает количество ошибок при копировании ДНК примерно в тысячу раз.

Впрочем, даже после многолетней работы вопросы еще остались: так, науке до сих пор неизвестно, как именно организму удается отличать материнскую нить ДНК от дочерней. По словам самого Пола Модрича, «исследования, толчком к проведению которых стало любопытство, чрезвычайно важны. Никогда не знаешь, к чему они приведут… Немного удачи в работе тоже не помешает».

Исследования Модрича не ограничиваются только работой в области изучения репарации ошибочно спаренных нуклеотидов. Как рассказала Ольга Лаврик, «Пол Модрич — человек, который хорошо знает все области репарации, он украшал все конференции дискуссией и своими вопросами — в самую точку, независимо от того, что он работал в области mismatch-репарации. Конференции, которые проходят с его участием, всегда удачные».

На вопрос о том, не правильнее ли было бы присудить эту премию в области медицины, Ольга Лаврик ответила: «Нет. Тем людям, которым в среду дали премию, она и должна быть по химии. Потому что у них в работе исследования фундаментальных механизмов, которые, безусловно, включают в себя химические аспекты. Это фундаментальные исследования химического механизма сложных процессов репарации. Да, исследования на стыке, но я считаю, что это абсолютно заслуженная премия по химии. Ее давно ждали, потому что репарация ДНК — это центральный механизм, который обеспечивает защиту стабильности человеческого генома. Я абсолютно согласна, что давно уже нужно было, может, и не одну Нобелевскую премию дать за эту область науки.

Но я также знаю, что на премию за открытие системы репарации нуклеотидов номинировался другой кандидат — Фил Ханавальд, но получил Азиз Санджар. Скорее ожидалась Нобелевская премия за систему репарации нуклеотидов, сопряженной с транскрипцией. Но это мнение группы ученых, которые работают в этой области, и я придерживалась такого мнения. Хотя Азиз Санджар — тоже ведущий ученый, и, конечно, выбор был очень сложным, потому что за работы в этой области премию не давали давно, и многие сделали большое количество важных открытий. А все равно нужно было кого-то выбрать. Все нынешние лауреаты — замечательные ученые».

Достижения нобелевских лауреатов имеют и практическое применение, однако, по словам Ольги Лаврик, над этим

«нужно работать еще более интенсивно, потому что все-таки прикладные аспекты остаются недостаточными для победы над серьезными болезнями человека.

Основные мишени, против которых уже есть лекарства, — это ферменты репарации ДНК раковых клеток, которые являются мишенями для химиотерапии. Химиотерапевтические агенты разрушают систему ДНК, а система репарации бешено сопротивляется этим повреждениям, поэтому прежде всего нужно обязательно убивать эти системы в ходе лечения. Радиотерапии они тоже сопротивляются — интенсивно работают и восстанавливают все эти разрывы, которые делаются радиотерапией. Поэтому ферменты — это самые важные мишени при лечении рака».