По словам авторов исследования, корректировка действия молекулы под названием ppGpp с помощью будущих методов лечения может отключить репарацию ДНК у микробов, что сделает их во много раз более уязвимыми для существующих антибиотиков. По данным Центров по контролю и профилактике заболеваний, бактерии, неоднократно подвергавшиеся воздействию одних и тех же лекарств, становятся устойчивыми к лечению, при этом связанные с ними инфекции становятся причиной 23 000 смертей и 2 миллионов заболеваний ежегодно в Соединенных Штатах.
«Большинство антибиотиков прямо или косвенно оказывают свое действие, вызывая повреждение бактериальной ДНК, поэтому поиск способов нарушения репарации ДНК станет значительным шагом вперед в лечении устойчивых инфекций», — говорит старший автор исследования Евгений Нудлер, доктор философии, Джули Уилсон. Андерсон, профессор биохимии, кафедра биохимии и молекулярной фармакологии, Нью-Йоркский университет в Лангоне.
«Хотя уменьшение репарации ДНК в бактериях может помочь преодолеть устойчивость к антибиотикам, мы также взволнованы перспективой усиления репарации ДНК в клетках человека», — говорит Нудлер, также исследователь из Медицинского института Говарда Хьюза. "Повреждения ДНК накапливаются с возрастом и создают риск дегенеративных заболеваний, от болезни Альцгеймера до рака."
Результаты исследования вращаются вокруг хрупкости молекул ДНК, букв, составляющих генетический код.
По оценкам экспертов, ДНК повреждается тысячи раз в час в каждой бактериальной клетке и, возможно, миллион раз в день в клетке человека с более крупными и сложными цепями ДНК. Солнечный свет и токсины наносят большой ущерб, но самой большой причиной могут быть высокоактивные побочные продукты, образующиеся, когда клетки используют кислород для превращения сахара в энергию.
Учитывая, что поврежденная ДНК может привести к летальным ошибкам в построении белков, которые составляют жизненно важные структуры и сообщения, клетки рано эволюционировали, чтобы иметь перекрывающиеся механизмы восстановления ДНК за доли секунды.
Как у людей, так и у бактерий ключевой белковый комплекс, называемый РНК-полимеразой, цепляется за цепочку ДНК, считывая код «букв» ДНК, поскольку он переводит генетические инструкции в промежуточные молекулы РНК на пути к созданию белков.
Исследования последних лет показали, что РНК-полимераза в бактериях также проверяет цепь ДНК на предмет повреждений при считывании.
В 1997 году Нудлер и его коллеги опубликовали статью в Cell, в которой обнаружили бактериальную РНК-полимеразу, которая движется вниз по цепи ДНК в одном направлении при нормальном чтении, а в некоторых случаях останавливается и скользит назад — процесс, который Нудлер назвал обратным отслеживанием. Теория утверждала, что если РНК-полимераза сталкивается с повреждением в ДНК, обратное отслеживание может освободить место для прилетающих ферментов, вырезать поврежденный участок и восстановить нормальную цепь в процессе, называемом репарацией ДНК с эксцизией нуклеотидов (NER).
Действительно, в 2014 году команда Нудлера опубликовала в журнале Nature работу, в которой было обнаружено, что фермент NER UvrD заставляет РНК-полимеразу возвращаться в бактериальный вид E. кишечная палочка. В недавно опубликованной статье ppGpp (гуанозин-3 ‘, 5’ — (бис) пирофосфат), соединение, родственное по структуре гуаниновому строительному блоку ДНК, идентифицируется как центральный контроллер UvrD-управляемого обратного отслеживания в пути NER.
Уровни ppGpp быстро повышаются по мере того, как бактериальная РНК-полимераза сталкивается с повреждением и возвращается, затем снижается, как только цепь восстанавливается, чтобы вернуть РНК-полимеразу к нормальной транскрипции. Авторы исследования пришли к выводу, что ppGpp является сенсором, который позволяет РНК-полимеразе переключаться между транскрипцией и репарацией ДНК, связывая эти два процесса в бактериях.
Бактерии должны быть способны восстанавливать ДНК и сохранять свою геномную целостность, чтобы выжить, поэтому нацеливание на эту способность является разумной стратегией для разработки лекарств, — говорит Нудлер.
По его словам, в стремлении воплотить эту работу в новых методах лечения, которые побеждают устойчивость к антибиотикам, необходимо определить, взаимодействует ли РНК-полимераза напрямую с ферментами, производящими ppGpp, и, если они это сделают, разработать специфические ингибиторы против них.
Исследователи также надеются вскоре подтвердить, что обратное отслеживание РНК-полимеразы делает возможными связанные формы репарации ДНК в человеческих клетках, как предполагалось, что является важным шагом на пути к ускорению репарации ДНК человека в будущем.