Недавно возникло подозрение, что новая сигнатура мутации, обнаруженная в раковых клетках, была создана семейством ферментов, обнаруженных в клетках человека, которое называется семейством APOBEC3. Исследование, проведенное Ашоком Бхагватом (Ashok Bhagwat), Ph.D., профессор химии в Колледже свободных искусств и наук Государственного университета Уэйна, недавно был опубликован в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Помимо Бхагвата, сотрудники из Государственного университета Уэйна и Университета Индианы определили цель в ДНК, которую атакуют ферменты APOBEC3. Результаты этого проекта фундаментальных научных исследований дают представление об основном источнике мутаций, которые могут приводить к росту опухоли, а также объясняют ключевой результат эволюции микробов.
ДНК состоит из двух тонких нитей, состоящих из четырех оснований, которые расположены в определенной последовательности, образуя слова и главы, содержащие секреты клетки. Две нити ДНК переплетаются друг с другом, чтобы защитить основания от повреждения химическими веществами и ферментами.
К сожалению, клетка должна скопировать свою ДНК, прежде чем сможет делиться. Этот процесс копирования требует, чтобы две цепи ДНК были ненадолго разделены, что делает ДНК «одноцепочечной» и, таким образом, чувствительной к повреждениям.
Согласно Бхагвату, странная особенность биохимии ДНК заключается в том, что одна из цепей ДНК, известная как матрица отстающей цепи (LGST), остается одиночной намного дольше, чем ее аналог, матрица ведущей цепи (LDST). Команда WSU / IU показала, что ферменты APOBEC3 преимущественно атакуют LGST, вызывая мутации во время копирования ДНК.
«Мы выполнили эту работу, используя простую бактерию Escherichia coli в качестве модели, введя в нее активную часть человеческого фермента APOBEC3G», — сказал Бхагват. "Преимущество использования E. coli заключается в том, что его полную последовательность ДНК можно легко определить, а то, как он копирует свою ДНК, хорошо известно."
Исследовательская группа Бхагвата изучала более крупное семейство ферментов AID / APOBEC в течение последних 14 лет и помогла показать, что это семейство ферментов превращает C в аномальное основание, называемое урацилом (U). U восстанавливается обратно в C большую часть времени, но иногда этот процесс не удается, и U фиксируется как T. Это называется мутацией C-to-T.
Бхагват начал сотрудничество с Патрисией Фостер, Ph.D., в Университете Индианы и предоставила своей группе ген A3G для экспрессии в E. кишечная палочка.
Они определили последовательность ДНК сотен таких бактерий и каталогизировали более 1000 мутаций, вызванных A3G. Вэйлун Хао, доктор философии.D., доцент биологических наук в Wayne State, позже проанализировал мутации и заметил, что когда A3G находился в клетках, C в LGST заменялись на T в три-четыре раза чаще, чем они заменялись в LDST. Статистический анализ данных показал, что это событие крайне маловероятно, что означает, что ферменты APOBEC3 должны быть нацелены на LGST.
Рак часто называют генетическим заболеванием, потому что почти все вызывающие рак агенты вызывают мутации. Когда недавно была определена последовательность ДНК опухолей молочной железы и других видов рака, мутации от C до T были наиболее часто встречающимися. Эти мутации часто обнаруживались в кластерах, предполагая, что большие участки ДНК должны быть повреждены в одном мутационном событии.
«Эти мутации имели признаки мутаций, вызванных ферментами APOBEC3, но было неясно, где эти ферменты обнаружили необходимые длинные участки одноцепочечной ДНК для мутации», — сказал Бхагват. «Работа нашей совместной команды показала, что во время копирования ДНК нить LGST ДНК доступна для APOBEC, и это вызывает мутации."
Согласно Бхагвату, бактерии, подобные E. coli демонстрируют явление под названием «перекос GC», связанное с этим открытием. Бактериальная ДНК обычно имеет меньше C в LGST, чем G. В свете результатов работы ученых WSU / IU это наблюдение можно объяснить на молекулярном уровне.
Бактерии в природе не содержат ферментов APOBEC3, но вода и другие клеточные химические вещества также могут вызывать мутации C в T. Однако они делают это очень медленными темпами по сравнению с APOBEC. Несмотря на эту медлительность, бактерии заменили многие из C в их LGST на T за миллионы лет эволюции, создавая перекос в GC.
Таким образом, процесс копирования ДНК, который необходим для жизни, стимулирует как эволюцию микробов, так и развитие рака.
«Наши результаты могут иметь большое влияние на определение источника мутаций при многих раковых заболеваниях и, возможно, на разработку методов лечения на основе этой информации», — сказал Бхагват. "Только некоторые опухоли имеют мутационные сигнатуры APOBEC, и их можно идентифицировать с помощью современной технологии секвенирования ДНК. В конце концов, мы сможем лечить эти виды рака на ранних стадиях, чтобы предотвратить мутации, вызванные APOBEC3."
«Это исследование является прекрасным примером того, как мощь биоинформатики и геномики ценна для решения важных биологических вопросов», — сказал Хао. "Это может оказать положительное влияние на состояние здоровья людей, больных раком и, возможно, другими заболеваниями в ближайшем будущем."