Открытие примечательно на уровне фундаментальной науки, но также указывает путь к возможному терапевтическому применению. Стратегии, которые усиливают функцию защиты ДНК фермента TyrRS, могут помочь защитить людей от лучевых поражений, а также от наследственных дефектов в системах репарации ДНК.
«Мы сверхэкспрессировали TyrRS у рыбок данио и обнаружили, что они полностью защищены от повреждений ДНК, вызванных ультрафиолетовым излучением», — сказал профессор TSRI Сян-Лей Ян, руководивший исследованием.
Новое открытие также может привести к лучшему пониманию нейродегенеративного расстройства, известного как болезнь Шарко-Мари-Тута, некоторые случаи которого возникают из-за мутаций в гене TyrRS.
Об открытии, сделанном в результате сотрудничества нескольких лабораторий TSRI, сообщается в Интернете 2 октября в журнале Molecular Cell.
Множество ролей
TyrRS (тирозил тРНК синтетаза) принадлежит к семейству эволюционно древних ферментов, которые необходимы для клеточной сборки белков. Они распознают коды, содержащиеся в транскриптах генов, и связывают их с соответствующими аминокислотами — строительными блоками белков.
Задача TyrRS — распознавать генетические коды, определяющие аминокислотный тирозин.
Но в последние годы было обнаружено, что TyrRS и другие тРНК-синтетазы, которые относительно широко распространены в клетках, обладают дополнительными функциями. Первый из этих отчетов поступил в 1999 году из лаборатории профессора TSRI Пола Шиммеля, который обнаружил, что TyrRS иногда всплывает из умирающей клетки двумя частями, каждая из которых передает иммуностимулирующий сигнал другим клеткам.
В исследовании, опубликованном в 2012 году, Янг и ее коллеги обнаружили, что TyrRS, по-видимому, играет еще одну роль в ядре клетки и может перемещаться туда в определенные моменты, когда операции по производству белка замедляются.
«Снижение синтеза белка часто связано со стрессовой реакцией, — сказал Ян, — поэтому мы начали искать в этом направлении."
Командные усилия
Для нового исследования Ян работал с несколькими лабораториями, сотрудничающими с TSRI. «Широта опыта и коллегиальная среда делают это легко», — сказала она.
Команда, в состав которой входила первый автор, научный сотрудник На Вэй из лаборатории Янга, начала с создания различных стрессовых условий в нескольких типах клеток. Исследователи заметили, что только «окислительный» стресс, обычный стресс, вызванный избытком высокореактивных молекул кислорода в клетках, отправляет TyrRS в ядро.
Что TyrRS делает в ядре? Чтобы узнать больше, команда записала, как паттерны экспрессии генов менялись в клетках, когда TyrRS заполнил ядро.
Они отметили, что многие из этих изменений были всплесками активности среди генов, которые ранее были связаны с защитой и репарацией ДНК. Исключение TyrRS из ядра предотвратило эти скачки.
В последующих экспериментах команда смогла выделить молекулярные детали того, как TyrRS в ядре клетки снимает молекулярные тормоза с экспрессии гена реакции на повреждение ДНК.
Они также смогли показать в экспериментах на лабораторной посуде, что перемещение TyrRS в ядро клетки обеспечивает значительную защиту от окислительного повреждения ДНК — маркеры таких повреждений были намного ниже.
«Мы обнаружили, что TyrRS способствует наиболее консервативному и безошибочному пути гомологичной рекомбинации для репарации ДНК, который поможет поддерживать стабильность клеточного генома всякий раз, когда он подвергается повреждению», — сказал сотрудник TSRI, доцент Сяохуа Ву, эксперт по восстановлению ДНК.
Чтобы подтвердить физиологическую значимость защитной роли TyrRS, исследователи искусственно усилили экспрессию TyrRS у эмбриональных рыбок данио — эффективно заставляя часть TyrRS проникать в ядра клеток, где он мог бы выполнять свою ген-активирующую роль.
Оказалось, что приток TyrRS обеспечивает надежную защиту от повреждения ДНК, вызванного ультрафиолетовым излучением. (Ионизирующее излучение является одним из многих триггеров окислительного стресса, повреждающего ДНК, хотя оно также может повредить ДНК напрямую.Опять же, когда ученые исключили TyrRS из ядер клеток рыбок данио, защитный эффект исчез.
«Это было плодотворное сотрудничество Скриппса», — сказал доцент TSRI Шуджи Киши.«Фактически, второй автор, Йи (« Эрик ») Ши пришел из лаборатории Янга в Скриппс, Калифорния, и сыграл ключевую роль, быстро овладев всеми необходимыми навыками для рыбок данио в моей лаборатории в Скриппс, Флорида.
С помощью модельной системы рыбок данио мы смогли продемонстрировать защитную роль TyrRS в геноме на уровне организма."
«Я был очень удивлен, увидев такой четкий результат», — сказал Ян.
Возможные медицинские применения
В принципе, добавляет она, терапия, которая каким-то образом вводит больше TyrRS в ядра клеток или имитирует его активность там, могла бы обеспечить надежную защиту ДНК для людей с радиационным воздействием или воздействием токсинов или наследственными дефектами репарации ДНК.
Ян также надеется, что недавно выясненная роль TyrRS в ядре в конечном итоге прояснит механизмы, лежащие в основе болезни Шарко-Мари-Тута (CMT), совокупности наследственных синдромов дегенерации периферических нервов, которые затрагивают как минимум несколько миллионов человек во всем мире. Некоторые случаи CMT были связаны с мутациями в гене TyrRS, и исследование 2009 года показало, что эти мутации не нарушают основную ферментативную функцию TyrRS в трансляции белка, что предполагает роль TyrRS в ядре в качестве следующего объекта исследования.
«Я подозреваю, что ядерная функция TyrRS имеет отношение к CMT, — сказал Ян. "Эта гипотеза была важной мотивацией для нашей работы, и мы намерены развивать ее дальше."