Ученые Института химической биологии и фундаментальной медицины им. Д. Г. Кнорре (ИХБФМ) СО РАН впервые определили трехмерную структуру комплекса молекулы ДНК и двух белков репарации в момент «ремонта» поврежденной последовательности нуклеотидов ДНК. Точное понимание механизма восстановления генома необходимо для разработки новых подходов борьбы с онкологическими заболеваниями, сообщили в пресс-службе ЦКП «СКИФ».

Об этом исследовании рассказал на Международной конференции «Синхротронные исследования: Наука, Знания, Инновации, Будущее» (SKIF-2026) младший научный сотрудник Института химической биологии и фундаментальной медицины им. Д. Г. Кнорре СО РАН (ИХБФМ СО РАН) Никита Булгаков.

Молекула ДНК — носитель всей наследственной информации. Целостность этой молекулы — главный залог здорового функционирования любого живого организма, в то же время она оказывается уязвима для самых разных влияний внешней среды. Самым опасным фактором, провоцирующим большинство повреждений ДНК, является окислительный стресс, который может вызвать солнечный свет, радиация, загрязненный воздух или выхлопные газы, курение, алкоголь и множество других причин. Под влиянием этих факторов в ДНК постоянно возникают поломки, их ремонтом непрерывно занимаются специальные внутриклеточные системы репарации, которые представляют собой многоступенчатые мультибелковые системы.

Опасность состоит в том, что при накоплении повреждений в ДНК клетки могут перерождаться, например, в клетки раковой опухоли. Глубинное понимание механизмов репарации ДНК в перспективе позволит целенаправленно воздействовать на патогенные клетки, тем самым совершенствуя современные методы терапии.

Самый распространенный вид репарации ДНК — эксцизионная репарация оснований, при которой разные ферменты последовательно распознают и вырезают «поломку» в конкретном месте, удаляют остатки поврежденного основания, вставляют нужный нуклеотид взамен поврежденного и сшивают цепь ДНК.

Один из ведущих механизмов, защищающих ДНК от окислительного стресса у человека, заключается в последовательном воздействии на поврежденный участок генома двух ферментов: ДНК-гликозилаза hOGG1 распознает поврежденный нуклеотид, удаляет его и закрепляется на поверхности ДНК. Далее АП-эндонуклеаза hAPEX1 стимулирует высвобождение ДНК из комплекса ДНК-hOGG1 и вырезает поврежденный участок. Далее ДНК-полимераза, dRP-лиаза и ДНК-лиаза заделывают брешь в молекуле ДНК.

Сотрудники лаборатории геномной и белковой инженерии ИХБФМ СО РАН занимаются исследованием ферментов этого типа репарации как у бактерий, так и у человека. Одним из способов понимания механизмов взаимодействия белков репарации с ДНК является определение трехмерных структур ферментов и их комплексов c ДНК.

«Моей задачей было закристаллизовать не просто комплекс одного из ферментов с ДНК, а тройной комплекс — ДНК, hOGG1, и hAPEX1 для определения его трехмерной структуры. В итоге нам удалось получить ДНК-белковые кристаллы, а также построить модель взаимодействия макромолекул в этом комплексе: как взаимодействуют ферменты с ДНК, и что более важно, как ферменты взаимодействуют друг с другом. Ранее научное сообщество не имело этих данных, мы могли опираться только на расчетные и предсказательные модели, теперь у нас есть впервые полученная экспериментально подтвержденная модель тройного комплекса, которая дает прямое представление о геометрии процесса взаимодействия одних из ключевых ферментов на начальных этапах репарации ДНК у человека. Кристаллографический эксперимент был проведен на источнике синхротронного излучения в городе Кампинас, Бразилия, на синхротроне „Sirius“ коллегами из Московского физико-технического института. Я занимался лабораторной подготовкой образцов, выращиванием ДНК-белковых кристаллов и обработкой экспериментальных данных», — рассказал Никита Булгаков.

Он добавил, что кристаллизация такого ДНК-белкового комплекса является крайне сложной задачей. Для ее решения исследователи применили стратегию ковалентной стабилизации hOGG1 на ДНК-субстрате посредством образования стабильной ДНК-белковой сшивки, с последующим добавлением hAPEX1 в смесь и ее кристаллизацией. Это позволило методами рентгеноструктурного анализа определить структуру комплекса ДНК–hOGG1:hAPEX1.

«Получение ДНК-белковых кристаллов — долгий и трудоемкий процесс, а их транспортировка для исследования в другую страну — очень серьезная угроза для образца. Возможность проведения экспериментов на СКИФ существенно ускорит, упростит и удешевит эту работу», — резюмировал Никита Булгаков.